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设备分配与回收

news 2025/7/28 9:32:53

一、设备分配概述

1、核心目标

效率与安全平衡：在满足进程I/O需求的同时，最大化设备利用率，避免死锁。
分配原则：根据设备类型（独占/共享/虚拟）采取不同策略，例如独占设备需独占分配，共享设备通过调度实现多进程交替使用。

2、分配方式

静态分配：进程运行前分配全部所需设备（如独占设备），运行结束后释放。简单但资源利用率低。
动态分配：进程运行时按需申请设备，灵活性高但需处理死锁风险

二、设备分配的数据结构

设备分配通过多级数据结构管理设备、控制器和通道的从属关系，确保资源调度的有序性

1. 设备控制表（DCT）

功能：记录单个设备的属性和状态，是设备分配的基础单元。

关键字段：

设备类型（如打印机/磁盘）和标识符（唯一物理设备名）。
设备状态（忙/闲）、控制器表指针（指向所属控制器）。
重复执行次数：控制I/O错误重试机制。
设备队列指针：管理等待该设备的进程PCB队列。

2. 控制器控制表（COCT）

功能：管理设备控制器的状态和连接关系。

关键字段：

控制器标识符、状态（忙/闲。
通道表指针：指向所属通道，支持多通路分配（如一个控制器可连接多个通道）。

3. 通道控制表（CHCT）

功能：跟踪通道状态及其控制的控制器列表。
关键字段：

- 通道标识符、状态（忙/闲）。
- 控制器表首址：标识该通道管理的所有控制器。

4. 系统设备表（SDT）

功能：全局记录所有物理设备信息，是设备分配的入口。
关键字段：
- 设备类型、标识符、DCT指针、驱动程序入口地址 。
- 逻辑设备表（LUT）：实现设备独立性，映射逻辑设备名到物理设备

设备分配流程

1、基本步骤

步骤1：通过物理设备名查找SDT，获取对应DCT。若设备忙，进程加入等待队列；否则分配设备。
步骤2：通过DCT找到COCT，检查控制器状态。若忙则等待，否则分配控制器。
步骤3：通过COCT找到CHCT，分配通道。若通道忙则等待。

2、改进方法

逻辑设备名映射：用户通过逻辑设备名请求I/O，系统动态分配物理设备，提升灵活性。
多通路优化：若当前控制器或通道忙，尝试其他通路，减少阻塞

三、分配策略

1、设备属性：

设备类型	分配策略	典型场景	关键特点
独占设备	独占分配，进程完成后释放	打印机、磁带机	互斥访问，效率低但必要
共享设备	多进程共享，需调度访问顺序	磁盘、网络设备	高并发，需避免冲突
虚拟设备	通过SPOOLing技术模拟共享	虚拟打印机（输出井）	将独占设备转化为逻辑共享

注：虚拟设备通过输入井/输出井实现（如打印任务排队），本质是空间换时间。

2、分配算法：

1、先来先服务（FCFS）

原理：按请求顺序形成队列，队首优先分配。
优点：公平简单，适合低负载场景。
缺点：高优先级任务可能被阻塞（如紧急打印任务）。

2、最高优先级优先（HPF）

原理：按进程优先级排序，同优先级则FCFS。
优点：关键任务快速响应（如实时系统）。
缺点：低优先级进程可能“饥饿”。

安全性：

安全分配：进程发出I/O请求→阻塞→I/O完成→唤醒。（防死锁，CPU 与设备串行）。

特点：
- 优点：无死锁（进程阻塞时不持有资源）。
- 缺点：CPU与I/O串行，吞吐量低。
不安全分配：流程：进程可连续请求多个设备，仅在被占用时阻塞。
- 特点：
  - 优点：高并行性（如数据库同时读写磁盘和日志）。
  - 缺点：需死锁检测/预防（如银行家算法）。
分配后进程继续（可 concurrent 操作多设备，风险：死锁）。

四、分配步骤（独占设备示例-基于物理设备名）

1. 分配设备

步骤：

1、根据I/O请求中的物理设备名查找系统设备表（SDT），找到对应的设备控制表（DCT）。

2、检查DCT中的设备状态字段：

若忙：将进程PCB挂到设备的等待队列。
若空闲：将设备分配给该进程，标记为“忙”。
关键点：物理设备名直接绑定具体硬件，缺乏灵活性。

2. 分配控制器

步骤：

1、通过DCT中的控制器表指针找到控制器控制表（COCT）。

2、检查COCT中的控制器状态：

若忙：进程PCB加入控制器等待队列。
若空闲：分配控制器，标记为“忙”。

问题：若控制器忙，即使设备空闲也无法使用，可能降低资源利用率。

3. 分配通道

步骤：

1、通过COCT中的通道表指针找到通道控制表（CHCT）。

2、检查CHCT中的通道状态：

若忙：进程PCB加入通道等待队列。
若空闲：分配通道，标记为“忙”。

成功条件：设备、控制器、通道均分配成功，才能启动I/O操作。

缺陷：

设备依赖性：进程必须指定物理设备名，若设备被占用则分配失败。
效率问题：串行检查设备→控制器→通道，可能产生不必要的等待

4. 分配设备：

三者（设备、控制器、通道）均分配 → 发启动命令。

五、逻辑设备名分配（设备独立性）

1、改进流程

步骤：

进程使用逻辑设备名（如“打印机类”）发起I/O请求。
系统在SDT中查找所有该类设备的DCT，按顺序检查设备状态：

- 找到第一个空闲设备：进入控制器和通道分配流程。
- 全部忙：进程挂到该类设备的公共等待队列（而非单个设备队列）。
优点：

- 灵活性：可动态分配同类设备中的任意空闲设备（如多台打印机中的一台）。
- 负载均衡：避免单个设备过载。

2、实现机制

逻辑设备表（LUT）：

- 每个进程维护一张LUT，映射逻辑设备名到物理设备名（如“PRN1”→“Printer_A”）。
- 由操作系统动态更新，对进程透明。

多通路支持：若当前控制器或通道忙，可尝试其他通路（需COCT/CHCT支持多路径）

六、逻辑设备名到物理设备名的映射

6.1、逻辑设备表（LUT）的核心概念

1. 功能与作用

设备独立性：允许进程使用逻辑设备名（如“printer1”）请求I/O，而非直接绑定物理硬件（如“Printer_A”）。
动态映射：系统通过LUT将逻辑设备名转换为物理设备名，并关联对应的驱动程序入口地址。

2. LUT表项结构

字段	说明
逻辑设备名	进程使用的设备标识（如“disk1”）。
物理设备名	实际硬件设备标识（如“DiskController0_Sector1”）。
设备驱动程序入口地址	指向驱动程序的函数指针，用于执行具体I/O操作。