第三章：处理机调度与死锁
第三章：处理机调度与死锁
1.处理机调度的概述
高级调度：硬件到内存之间的调度，将外存上处于后备队列中的作业调入内存，也称为作业调度
低级调度：内存到CPU之间的调度，决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机，也称为进程调度
中级调度：根据优先级，外存上的急需运行的进程调入内存运行，也称为内存调度
调度程序分为三部分（进程调度的机制）
排队器：用于将就绪进程插入相应的就绪队列
分派器：用于将选定的进程移出就绪队列
上下文切换器：进行新旧进程之间的上下文切换
抢占式：系统可以“打断”正在用CPU的进程，比如来了更紧急的任务，或者它用太久了，就把它暂停，让别人先用。
非抢占式：谁拿到CPU就一直用，直到自己用完或主动让出，别人不能插队。
2.调度算法
调度算法的共同目标：资源利用率，公平性，平衡性，策略强制执行
批处理系统：周转时间短，吞吐量高，处理机利用率高
分时系统：响应时间快，均衡性
实时系统：截止时间的保证
CPU利用率 = CPU有效工作时间 / ( CPU有效工作时间 + CPU空闲等待时间 )
评价指标
- 周转时间：从作业提交给系统开始，到作业完成为止的这段时间间隔
- 带权周转时间：权值为作业周转时间T与系统为之服务时间TS之比
- 响应时间：从用户提交请求开始，直到系统首次显示处理结果的时间
- 等待时间：进程在就绪队列中等待调度的所有时间之和
作业调度算法：
先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度（PR）、高响应比（HRRN）
进程调度算法：
先来先服务（FCFS）、短作业优先（SJF）、优先级调度（PR）、时间片轮转（RR）
先来先服务（FCFS）：按照作业到达的先后次序来进行调度
短作业优先（SJF）：
对作业：从后备队列中选择若干个估计运行时间最短的作业。
对进程：关联到每个进程下次运行的CPU区间长度，调度最短的进程
抢占式：有比当前进程剩余时间片更短的进程到达时，先执行运行时间短的
非抢占式：必须等到当前进程全部执行完或者主动放弃CPU
缺点：人-机无法实现交互、未考虑作业的紧迫程度
优先级调度（PR）：基于作业/进程的紧迫程度，由外部赋予作业相应的优先级，根据优先级进行调度。小的优先数具有高优先级
静态优先级：在创建进程时，确定优先数，在进程运行的整个过程中不变，可能会出现优先级低的进程长期没有被调度的情况
动态优先级：创建进程时先赋予其一个优先级，然后其值随进程的推进或等待时间的增加而改变
缺点：饥饿 ——低优先级的进程可能永远得不到运行
高响应比优先调度算法（PR）：既考虑作业的等到时间，又考虑作业的运行时间
时间片轮转：类似于FCFS，但增加了抢占，（时间片 / 10 > 进程上下文切换时间）
3.实时调度
最早截止时间优先(EDF)：根据任务的截止时间确定优先级，截止时间越早，优先级越高
最低松弛度优先(LLF)算法：根据任务的紧急程度确定优先级，紧急程度越高，优先级越高
4.Linux进程调度
5.死锁概述
概念：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
产生死锁的必要条件：
互斥
请求与保持
不可抢占
循环等待
产生死锁的原因：
竞争不可抢占性资源
竞争可消耗性资源
进程推进顺序不当
处理死锁的方法：
预防死锁：破坏死锁的四个必要条件中一个或几个
避免死锁：在资源动态分配时，防止系统进入不安全状态。
检测死锁：事先不采取任何措施，允许死锁发生，但及时检测死锁发发生。
解除死锁：检测到死锁发生时，采取相应措施，将进程从死锁状态中解脱出来。
6.预防死锁
互斥：互斥条件是共享资源必须的，不能改变，应加以保证
请求与保持：别一边拿着资源一边再要新资源，要么全要完再用，要么用完释放完再要，这样更安全高效。
传统做法：执行前一次性申请全部资源
改进做法：先拿一部分资源开始运行，用完后再逐步释放，再申请新的资源。
非抢占：
如果一个进程的申请没有实现，它要释放所有占有的资源；
循环等待：
对所有资源类型进行线性排序，并赋予不同的序号，要求进程按照递增的顺序申请资源
7.避免死锁
死锁避免 ---> 确保系统永远不会进入不安全状态
银行家算法是一种避免死锁的策略，只在确保“不会让系统陷入危险状态”的前提下，才分配资源
🌟 核心思想（通俗版）：
系统像一个谨慎的银行家：
每个进程申请资源时，先假装同意，然后检查： “如果给了它，剩下的资源还能不能让所有进程都顺利完成？”
如果能 → 安全，就真的分配；
如果不能 → 不安全，就拒绝，让进程等等。
🔑 关键概念：
最大需求（Max）：每个进程最多要多少资源（提前声明）。
已分配（Allocation）：已经给了多少。
还需要（Need） = 最大需求 - 已分配。
可用资源（Available）：系统当前空闲的资源。
根据Available去找是否有能够满足的Need
✅ 总结一句话：
银行家算法 = 先模拟分配，确认安全再真正分配，从而避免死锁。
8.死锁的检测与解除
🔍 死锁怎么检测？
系统会画一张“资源分配图”：
看哪些进程在等资源；
看哪些资源被谁占着；
如果图中出现“循环等待”（比如 A 等 B 的资源，B 又等 A 的），就说明发生了死锁。
就像几个人互相借笔，A 等 B 还笔，B 等 C，C 又等 A— —谁也动不了，卡住了。
🛠️ 检测到死锁后怎么解除？
常用方法有：
终止进程
直接干掉一个或多个死锁中的进程（选代价小的，比如没做太多工作的）。
抢占资源
把某个进程占的资源强行拿走，给别的进程用，打破循环。
之后可能要让被抢的进程回滚重做。
回滚重启
让某些进程退回到之前的安全状态，重新申请资源。