目錄

3.3? 進(jìn) 程 調(diào) 度

3.3.1? 進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)、機(jī)制和方式??

3.3.2? 輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法

?3.3.3? 優(yōu)先級調(diào)度算法

3.3.4? 多隊列調(diào)度算法

3.3.5? 多級反饋隊列(multileved feedback queue)調(diào)度算法?

3.3.6? 基于公平原則的調(diào)度算法??

3.4? 實 時 調(diào) 度

3.4.1? 實現(xiàn)實時調(diào)度的基本條件

3.4.2? 實時調(diào)度算法的分類???

?3.4.3? 最早截止時間優(yōu)先EDF(Earliest Deadline First)算法?

?3.4.4? 最低松弛度優(yōu)先LLF(Least Laxity First)算法

?3.4.5? 優(yōu)先級倒置(priority inversion problem)??

---

3.3? 進(jìn) 程 調(diào) 度

　　進(jìn)程調(diào)度是OS中必不可少的一種調(diào)度。因此在三種類型的OS中，都無一例外地配置了進(jìn)程調(diào)度。此外它也是對系統(tǒng)性能影響最大的一種處理機(jī)調(diào)度，相應(yīng)的，有關(guān)進(jìn)程調(diào)度的算法也較多。

3.3.1? 進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)、機(jī)制和方式??

1. 進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)
　　進(jìn)程調(diào)度的任務(wù)主要有三：
　　(1) 保存處理機(jī)的現(xiàn)場信息。
　　(2) 按某種算法選取進(jìn)程。
　　(3) 把處理器分配給進(jìn)程。 ?

2. 進(jìn)程調(diào)度機(jī)制
　　為了實現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度，在進(jìn)程調(diào)度機(jī)制中，應(yīng)具有如下三個基本部分，如圖3-1所示。
　　(1) 排隊器。
　　(2) 分派器。
　　(3) 上下文切換器。

?3. 進(jìn)程調(diào)度方式
　　1) 非搶占方式(Nonpreemptive Mode)
　　在采用這種調(diào)度方式時，一旦把處理機(jī)分配給某進(jìn)程后，就一直讓它運行下去，決不會因為時鐘中斷或任何其它原因去搶占當(dāng)前正在運行進(jìn)程的處理機(jī)，直至該進(jìn)程完成，或發(fā)生某事件而被阻塞時，才把處理機(jī)分配給其它進(jìn)程。

2) 搶占方式(Preemptive Mode)
　　這種調(diào)度方式允許調(diào)度程序根據(jù)某種原則，去暫停某個正在執(zhí)行的進(jìn)程，將已分配給該進(jìn)程的處理機(jī)重新分配給另一進(jìn)程。在現(xiàn)代OS中廣泛采用搶占方式，這是因為：對于批處理機(jī)系統(tǒng)，可以防止一個長進(jìn)程長時間地占用處理機(jī)，以確保處理機(jī)能為所有進(jìn)程提供更為公平的服務(wù)。在分時系統(tǒng)中，只有采用搶占方式才有可能實現(xiàn)人—機(jī)交互。在實時系統(tǒng)中，搶占方式能滿足實時任務(wù)的需求。但搶占方式比較復(fù)雜，所需付出的系統(tǒng)開銷也較大。

3.3.2? 輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法

　　1. 輪轉(zhuǎn)法的基本原理
　　在輪轉(zhuǎn)(RR)法中，系統(tǒng)將所有的就緒進(jìn)程按FCFS策略排成一個就緒隊列。系統(tǒng)可設(shè)置每隔一定時間(如30?ms)便產(chǎn)生一次中斷，去激活進(jìn)程調(diào)度程序進(jìn)行調(diào)度，把CPU分配給隊首進(jìn)程，并令其執(zhí)行一個時間片。當(dāng)它運行完畢后，又把處理機(jī)分配給就緒隊列中新的隊首進(jìn)程，也讓它執(zhí)行一個時間片。這樣，就可以保證就緒隊列中的所有進(jìn)程在確定的時間段內(nèi)，都能獲得一個時間片的處理機(jī)時間。

2. 進(jìn)程切換時機(jī)
　　在RR調(diào)度算法中，應(yīng)在何時進(jìn)行進(jìn)程的切換，可分為兩種情況：① 若一個時間片尚未用完，正在運行的進(jìn)程便已經(jīng)完成，就立即激活調(diào)度程序，將它從就緒隊列中刪除，再調(diào)度就緒隊列中隊首的進(jìn)程運行，并啟動一個新的時間片。② 在一個時間片用完時，計時器中斷處理程序被激活。如果進(jìn)程尚未運行完畢，調(diào)度程序?qū)阉屯途w隊列的末尾。

3. 時間片大小的確定
　　在輪轉(zhuǎn)算法中，時間片的大小對系統(tǒng)性能有很大的
影響。
　　圖3-2示出了時間片大小對響應(yīng)時間的影響，其中圖(a)是時間片略大于典型交互的時間，而圖(b)是時間片小于典型交互的時間。圖3-3示出了時間片分別為q?=?1和q?=?4時對平均周轉(zhuǎn)時間的影響。

?

?3.3.3? 優(yōu)先級調(diào)度算法

　　1. 優(yōu)先級調(diào)度算法的類型
　　優(yōu)先級進(jìn)程調(diào)度算法，是把處理機(jī)分配給就緒隊列中優(yōu)先級最高的進(jìn)程。這時，又可進(jìn)一步把該算法分成如下兩種。
　　(1) 非搶占式優(yōu)先級調(diào)度算法。
　　(2) 搶占式優(yōu)先級調(diào)度算法。

2. 優(yōu)先級的類型
　　1) 靜態(tài)優(yōu)先級
　　靜態(tài)優(yōu)先級是在創(chuàng)建進(jìn)程時確定的，在進(jìn)程的整個運行期間保持不變。優(yōu)先級是利用某一范圍內(nèi)的一個整數(shù)來表示的，例如0～255中的某一整數(shù)，又把該整數(shù)稱為優(yōu)先數(shù)。確定進(jìn)程優(yōu)先級大小的依據(jù)有如下三個：
　　(1) 進(jìn)程類型。
　　(2) 進(jìn)程對資源的需求。
　　(3) 用戶要求。

2) 動態(tài)優(yōu)先級
　　動態(tài)優(yōu)先級是指在創(chuàng)建進(jìn)程之初，先賦予其一個優(yōu)先級，然后其值隨進(jìn)程的推進(jìn)或等待時間的增加而改變，以便獲得更好的調(diào)度性能。

3.3.4? 多隊列調(diào)度算法

　　如前所述的各種調(diào)度算法，尤其在應(yīng)用于進(jìn)程調(diào)度時，由于系統(tǒng)中僅設(shè)置一個進(jìn)程的就緒隊列，即低級調(diào)度算法是固定的、單一的，無法滿足系統(tǒng)中不同用戶對進(jìn)程調(diào)度策略的不同要求，在多處理機(jī)系統(tǒng)中，這種單一調(diào)度策略實現(xiàn)機(jī)制的缺點更顯突出，由此，多級隊列調(diào)度算法能夠在一定程度上彌補(bǔ)這一缺點

3.3.5? 多級反饋隊列(multileved feedback queue)調(diào)度算法?

1. 調(diào)度機(jī)制
　　多級反饋隊列調(diào)度算法的調(diào)度機(jī)制可描述如下：
　　(1) 設(shè)置多個就緒隊列。
　　圖3-4是多級反饋隊列算法的示意圖。

?(2) 每個隊列都采用FCFS算法。當(dāng)新進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)存后，首先將它放入第一隊列的末尾，按FCFS原則等待調(diào)度。當(dāng)輪到該進(jìn)程執(zhí)行時，如它能在該時間片內(nèi)完成，便可撤離系統(tǒng)。否則，即它在一個時間片結(jié)束時尚未完成，調(diào)度程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)入第二隊列的末尾等待調(diào)度；如果它在第二隊列中運行一個時間片后仍未完成，再依次將它放入第三隊列，……，依此類推。當(dāng)進(jìn)程最后被降到第n隊列后，在第n隊列中便采取按RR方式運行。

(3) 按隊列優(yōu)先級調(diào)度。調(diào)度程序首先調(diào)度最高優(yōu)先級隊列中的諸進(jìn)程運行，僅當(dāng)?shù)谝魂犃锌臻e時才調(diào)度第二隊列中的進(jìn)程運行；換言之，僅當(dāng)?shù)?/span>1～(i-1)所有隊列均空時，才會調(diào)度第i隊列中的進(jìn)程運行。如果處理機(jī)正在第i隊列中為某進(jìn)程服務(wù)時又有新進(jìn)程進(jìn)入任一優(yōu)先級較高的隊列，此時須立即把正在運行的進(jìn)程放回到第i隊列的末尾，而把處理機(jī)分配給新到的高優(yōu)先級進(jìn)程。

2. 調(diào)度算法的性能
　　在多級反饋隊列調(diào)度算法中，如果規(guī)定第一個隊列的時間片略大于多數(shù)人機(jī)交互所需之處理時間時，便能較好地滿足各種類型用戶的需要。
　　(1) 終端型用戶。
　　(2) 短批處理作業(yè)用戶。
　　(3) 長批處理作業(yè)用戶。

3.3.6? 基于公平原則的調(diào)度算法??

　　1. 保證調(diào)度算法
　　保證調(diào)度算法是另外一種類型的調(diào)度算法，它向用戶所做出的保證并不是優(yōu)先運行，而是明確的性能保證，該算法可以做到調(diào)度的公平性。一種比較容易實現(xiàn)的性能保證是處理機(jī)分配的公平性。如果在系統(tǒng)中有n個相同類型的進(jìn)程同時運行，為公平起見，須保證每個進(jìn)程都獲得相同的處理機(jī)時間1/n。

在實施公平調(diào)度算法時系統(tǒng)中必須具有這樣一些功能：
　　(1) 跟蹤計算每個進(jìn)程自創(chuàng)建以來已經(jīng)執(zhí)行的處理時間。
　　(2) 計算每個進(jìn)程應(yīng)獲得的處理機(jī)時間，即自創(chuàng)建以來的時間除以n。
　　(3) 計算進(jìn)程獲得處理機(jī)時間的比率，即進(jìn)程實際執(zhí)行的處理時間和應(yīng)獲得的處理機(jī)時間之比。
　　(4) 比較各進(jìn)程獲得處理機(jī)時間的比率。如進(jìn)程A的比率最低，為0.5，而進(jìn)程B的比率為0.8，進(jìn)程C的比率為1.2等。
　　(5) 調(diào)度程序應(yīng)選擇比率最小的進(jìn)程將處理機(jī)分配給它，并讓該進(jìn)程一直運行，直到超過最接近它的進(jìn)程比率為止。

2. 公平分享調(diào)度算法
　　分配給每個進(jìn)程相同的處理機(jī)時間，顯然，這對諸進(jìn)程而言，是體現(xiàn)了一定程度的公平，但如果各個用戶所擁有的進(jìn)程數(shù)不同，就會發(fā)生對用戶的不公平問題。

3.4? 實 時 調(diào) 度

　　在實時系統(tǒng)中，可能存在著兩類不同性質(zhì)的實時任務(wù)，即HRT任務(wù)和SRT任務(wù)，它們都聯(lián)系著一個截止時間。為保證系統(tǒng)能正常工作，實時調(diào)度必須能滿足實時任務(wù)對截止時間的要求。為此，實現(xiàn)實時調(diào)度應(yīng)具備一定的條件。

3.4.1? 實現(xiàn)實時調(diào)度的基本條件

1. 提供必要的信息
　　為了實現(xiàn)實時調(diào)度，系統(tǒng)應(yīng)向調(diào)度程序提供有關(guān)任務(wù)的信息：
　　(1) 就緒時間，是指某任務(wù)成為就緒狀態(tài)的起始時間，在周期任務(wù)的情況下，它是事先預(yù)知的一串時間序列。
　　(2) 開始截止時間和完成截止時間，對于典型的實時應(yīng)用，只須知道開始截止時間，或者完成截止時間。

(3) 處理時間，一個任務(wù)從開始執(zhí)行，直至完成時所需的時間。
　　(4) 資源要求，任務(wù)執(zhí)行時所需的一組資源。
　　(5) 優(yōu)先級，如果某任務(wù)的開始截止時間錯過，勢必引起故障，則應(yīng)為該任務(wù)賦予“絕對”優(yōu)先級；如果其開始截止時間的錯過，對任務(wù)的繼續(xù)運行無重大影響，則可為其賦予“相對”優(yōu)先級，供調(diào)度程序參考。

2. 系統(tǒng)處理能力強(qiáng)
　　在實時系統(tǒng)中，若處理機(jī)的處理能力不夠強(qiáng)，則有可能因處理機(jī)忙不過，而致使某些實時任務(wù)不能得到及時處理，從而導(dǎo)致發(fā)生難以預(yù)料的后果。假定系統(tǒng)中有m個周期性的硬實時任務(wù)HRT，它們的處理時間可表示為Ci，周期時間表示為Pi，則在單處理機(jī)情況下，必須滿足下面的限制條件系統(tǒng)才是可調(diào)度的：

?提高系統(tǒng)處理能力的途徑有二：一是采用單處理機(jī)系統(tǒng)，但須增強(qiáng)其處理能力，以顯著地減少對每一個任務(wù)的處理時間；二是采用多處理機(jī)系統(tǒng)。假定系統(tǒng)中的處理機(jī)數(shù)為N，則應(yīng)將上述的限制條件改為：

?3. 采用搶占式調(diào)度機(jī)制
　　在含有HRT任務(wù)的實時系統(tǒng)中，廣泛采用搶占機(jī)制。這樣便可滿足HRT任務(wù)對截止時間的要求。但這種調(diào)度機(jī)制比較復(fù)雜。

4. 具有快速切換機(jī)制
　　為保證硬實時任務(wù)能及時運行，在系統(tǒng)中還應(yīng)具有快速切換機(jī)制，使之能進(jìn)行任務(wù)的快速切換。該機(jī)制應(yīng)具有如下兩方面的能力：
　　(1) 對中斷的快速響應(yīng)能力。對緊迫的外部事件請求中斷能及時響應(yīng)，要求系統(tǒng)具有快速硬件中斷機(jī)構(gòu)，還應(yīng)使禁止中斷的時間間隔盡量短，以免耽誤時機(jī)(其它緊迫任務(wù))。
　　(2) 快速的任務(wù)分派能力。為了提高分派程序進(jìn)行任務(wù)切換時的速度，應(yīng)使系統(tǒng)中的每個運行功能單位適當(dāng)?shù)男?#xff0c;以減少任務(wù)切換的時間開銷。

3.4.2? 實時調(diào)度算法的分類???

??
　　可以按不同方式對實時調(diào)度算法加以分類：① 根據(jù)實時任務(wù)性質(zhì)，可將實時調(diào)度的算法分為硬實時調(diào)度算法和軟實時調(diào)度算法；② 按調(diào)度方式，則可分為非搶占調(diào)度算法和搶占調(diào)度算法。

?1. 非搶占式調(diào)度算法
　　(1) 非搶占式輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。
　　(2) 非搶占式優(yōu)先調(diào)度算法。

2. 搶占式調(diào)度算法
　　可根據(jù)搶占發(fā)生時間的不同而進(jìn)一步分成以下兩種調(diào)度算法：
　　(1) 基于時鐘中斷的搶占式優(yōu)先級調(diào)度算法。
　　(2) 立即搶占(Immediate Preemption)的優(yōu)先級調(diào)度算法。　　
　　圖3-5中的(a)、(b)、(c)、(d)分別示出了四種情況的調(diào)度時間。

?3.4.3? 最早截止時間優(yōu)先EDF(Earliest Deadline First)算法?

　　1. 非搶占式調(diào)度方式用于非周期實時任務(wù)
　　圖3-6示出了將該算法用于非搶占調(diào)度方式之例。

?2. 搶占式調(diào)度方式用于周期實時任務(wù)
　　圖3-7示出了將該算法用于搶占調(diào)度方式之例。在該例中有兩個周期任務(wù)，任務(wù)A和任務(wù)B的周期時間分別為20 ms和50 ms，每個周期的處理時間分別為10?ms和25?ms。

?3.4.4? 最低松弛度優(yōu)先LLF(Least Laxity First)算法

　　該算法在確定任務(wù)的優(yōu)先級時，根據(jù)的是任務(wù)的緊急(或松弛)程度。任務(wù)緊急程度愈高，賦予該任務(wù)的優(yōu)先級就愈高，以使之優(yōu)先執(zhí)行。
　　該算法主要用于可搶占調(diào)度方式中。假如在一個實時系統(tǒng)中有兩個周期性實時任務(wù)A和B，任務(wù)A要求每20?ms執(zhí)行一次，執(zhí)行時間為10?ms，任務(wù)B要求每50?ms執(zhí)行一次，執(zhí)行時間為25?ms。由此可知，任務(wù)A和B每次必須完成的時間分別為：A1、A2、A3、…和B1、B2、B3、…，見圖3-8。

?

?3.4.5? 優(yōu)先級倒置(priority inversion problem)??

　　1. 優(yōu)先級倒置的形成
　　當(dāng)前OS廣泛采用優(yōu)先級調(diào)度算法和搶占方式，然而在系統(tǒng)中存在著影響進(jìn)程運行的資源而可能產(chǎn)生“優(yōu)先級倒置”的現(xiàn)象，即高優(yōu)先級進(jìn)程(或線程)被低優(yōu)先級進(jìn)程(或線程)延遲或阻塞。我們通過一個例子來說明該問題。

假如P3最先執(zhí)行，在執(zhí)行了P(mutex)操作后，進(jìn)入到臨界區(qū)CS-3。在時刻a，P2就緒，因為它比P3的優(yōu)先級高，P2搶占了P3的處理機(jī)而運行，如圖3-10所示。

?2. 優(yōu)先級倒置的解決方法
　　一種簡單的解決方法是規(guī)定：假如進(jìn)程P3在進(jìn)入臨界區(qū)后P3所占用的處理機(jī)就不允許被搶占。
??????? 一個比較實用的方法是建立在動態(tài)優(yōu)先級繼承基礎(chǔ)上的。當(dāng)高優(yōu)先級進(jìn)程P1要進(jìn)入臨界區(qū)，去使用臨界資源R，如果已有一個低優(yōu)先級進(jìn)程P3正在使用該資源，此時一方面P1被阻塞，另一方面由P3繼承P1的優(yōu)先級，并一直保持到P3退出臨界區(qū)。
　　圖3-11示出了采用動態(tài)優(yōu)先級繼承方法后，P1、P2、P3三個進(jìn)程的運行情況。

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机操作系统 第三章：处理机调度与死锁（2）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。