第三章 处理机调度与死锁
summary:In a multiprogramming environment,there are more processes in memory than there are processors.This requires the system to be able to dynamically assign processors to a process in a ready state to execute according to some algorithm.The task of assigning a processor is done by the processor scheduler.
*调度层次算法目标
高级调度，作业调度，决定外存上处于后备队列中的哪几个队列中的哪几个作业调入内存；低级调度，进程调度，决定就绪队列中的哪几个进程获得处理机；中级调度，内存调度，存储器中管理的对换功能；资源利用率(处理机和资源处于忙碌状态)，公平性(时间相对公平，无进程饥饿)，平衡性(进程种类，计算型与I/O型)，策略强制执行；相应时间快，均衡性，截至时间的保证(开始执行的最迟时间，完成的最迟时间)，可预测性(连续，实时)
*作业与作业调度
作业(程序，数据，作业说明书)，作业步(每一个对作业加工步骤)；作业控制块PCB(保存了系统对作业进行管理和调度所需的全部信息)
作业的三个阶段和状态 1.收容阶段，作业通过SPOOLing输入到硬盘，建立PCB，放入作业后备队列中国；2.运行阶段，作业被调度，分配资源建立进程，放入就绪队列；3.完成阶段，运行完成或异常结束，终止作业程序回收JCB与其资源
先来先服务FCFS，有利于长作业，短作业优先SJF，减少平均周转时间；优先级调度算法PSA，从后被队列中选择若干个优先级最高的作业装入内存；高响应比优先调度算法HRRN，既考虑了等待时间又考虑了运行时间，优先权＝（等待时间＋要求服务时间）／要求服务时间，等待时间＋要求服务时间等价于响应时间
＊进程调度
进程调度的任务 １.保存处理机的现场信息，如程序计数器，多个通用寄存器中的内容；２.按某种算法选取进程，从就绪队列中选取一个进程，准备分配处理机；３.把处理器分配给进程，选中进程PCB内处理机现场信息装入处理器相应的各个寄存器中
进程调度方式 非抢占方式，一旦分配到处理机，直到进程完成（非主动停止运行）才释放处理机；抢占方式，防止一个长进程长时间地占用处理机，保证处理机的公平服务，有三个抢占原则，优先权原则，短进程优先原则，时间片原则
轮转（round rubin）调度算法，基于时间片，时间片未用完而进程已完成，就立即激活调度程序，时间片用完则激活中断处理程序；优先级调度算法(上述抢占式和非抢占式)，优先级的依据：进程类型，进程对资源的需求，用户需求。静态优先级，创建进程时确定，动态优先级，随进程的推进或等待时间的增加而改变；多队列调度算法，将就绪队列拆分为若干个，按类型和性质将进程固定在不同的就绪队列中，方便处理机实施不同的调度策略；多级反馈队列，在上面的进程调度算法补充了每个队列都采用了FCFS和按优先级排序；基于公平原则的调度算法，调度程序选择最小的进程分配以处理机
*实时调度
HRT硬实时任务，快速切换机制保证了对中断的快速响应能力，快速的任务分派能力；最早截止时间优先EDF算法，非抢占式依据截止时间顺序执行，抢占式算法，必须在任务的周期内完成处理，且处理时间应该小于周期时间；
最低松弛度优先LLF算法 松弛度=完成时间-运行时间；松弛度越低则优先级越高，越先执行
优先级倒置 因高低优先级进程的临界资源共享延迟或阻塞产生。解决方法，共享资源的低优先级进程继承高优先级，直到低优先级进程退出临界区
*死锁概述
可抢占资源有CPU，内存；不可抢占资源有光驱，磁带机，打印机；形成环路，进入死锁；
产生死锁的必要条件 互斥条件，不可抢占的临界资源；请求和保持条件，请求新资源的进程阻塞倒置不能释放自己占用的资源；不可抢占条件，主动释放；循环等待条件，存在进程－资源循环链
处理死锁的方法 预防死锁，避免死锁，检测死锁，接触死锁
＊预防死锁
破坏“请求和保持”条件 当一个进程请求资源时，不能持有不可抢占资源。两种协议，第一种协议申请整个运行过程中所需的全部资源，可能发生饥饿现象；第二种协议允许进程只获得运行初期的资源，还是要用磁带机等不可抢占资源，只是用完即释放，减少进程发生饥饿的机率
破坏"不可破坏抢占"条件 进程前后两次运行的信息不连续，延长了进程的周转时间，增加了系统开销，降低了系统吞吐量
破坏“循环等待”条件 有序资源使用法：所有进程对资源的请求必须严格按资源序号递增的次序提出
*避免死锁
系统安全状态 系统能按某种进程推进顺序(P1,P2,...,Pn)为每个进程Pi分配其所需资源，直至满足每个进程对资源的最大需求，使每个进程都可顺利地完成。
银行家算法避免死锁
数据结构，可用资源向量Available[m]：m为系统中资源的种类数，Available[j]=k表示系统中第j类资源数为k个；最大需求矩阵Max[n,m]：n为系统中进程数，Max[i,j]=k表示进程i对j类资源的最大需求数为k；
算法，如果Requesti[i]<=Need[i,j]，则进如下一步(否则出错)->如果Requesti[j]<=Available[j]，则进入下一步(不然无足够资源)->Available[j]=Available[j]-Requesti[j];Allocation[i,j]=Allocation[i,j]+Requesti[j];Need[i,j]=Need[i,j]-Requesti[j]
▪安全序列： P1、P3、P4、P2、P0
*死锁的检测与解除
死锁的检测 资源分配图，引入二元组G=(V,E)，V是结点集，分为P进程节点和R资源节点；
记有三个资源的资源为R1，有两个资源的资源为R2。1°先看R1，有三个箭头指出，则说明此时R1中无资源；2°再看R2，有一个箭头指出，则R2中还有一个资源；3°再来看进程P2，一个箭头指出到R1，需要申请R1的一个资源，而R1无资源，P2进入阻塞状态；4°再看进程P1，一个箭头指出到R2，R2可满足P1的申请，运行完成后释放资源(即删除所有的边)
死锁的解除 抢占资源，从一个或者多个进程中抢占资源给该死锁进程；终止进程，杀死死锁进程
本章习题小结
3.5 在作业调度中应如何确定接纳多少个作业和接纳哪些作业？ 作业调度每次接纳进入内存的作业数，取决于多道程序度。应将哪些作业从外存调入内存，取决于采用的调度算法。最简单的是先来先服务算法，较常用的是短作业优先调度算法和基于作业优先级的调度算法。
3.9 在选择调度方式和调度算法时，应遵循的准则时什么？
面向用户的准则：周转时间短，响应时间快，截止时间的保证，优先权准则；
面向系统的准则：系统吞吐量高，处理机利用率好，各类资源的平衡利用。
3.13 在时间片轮转法中，应如何确定时间片的大小？ 时间片应略大于依次典型的交互需要的时间。一般应考虑三个因素：系统对响应时间的要求，就绪队列中进程的数目和系统的处理能力。
3.27 何谓死锁？产生死锁的原因和必要条件是什么？
死锁是指多个进程在运行过程中因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵持状态时，若无外力作用，它们都将无法再向前推进。产生死锁的原因为竞争资源和进程间推进顺序非法。其必要条件时：互斥条件，请求和保持条件，不可抢占条件，循环等待条件。
3.28 再解决死锁问题的几个方法中，哪种方法最易于实现？哪种方法使资源利用率最高？