04 处理机调度.ppt
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1、第四章第四章 处理机调度处理机调度4.1 分级调度4.2 作业调度4.3 进程调度4.4 调度算法 处理机调度的工作是对处理机调度的工作是对CPU资源进行合理的分配使用,资源进行合理的分配使用,以提高处理机利用率,并使各用户公平地得到处理机资源。以提高处理机利用率,并使各用户公平地得到处理机资源。所以,本章的主要问题是:所以,本章的主要问题是:n n 学习目标:1 1.掌握掌握:作业和进程的关系、作业的状态及其转换;:作业和进程的关系、作业的状态及其转换;作业调度和进程调度的功能;常用的调度算法。作业调度和进程调度的功能;常用的调度算法。2 2.理解理解:性能评价标准;调度算法的评价。:性能评
2、价标准;调度算法的评价。3 3.了解了解:其他调度算法。:其他调度算法。n n 学习要点:本章的重点在于掌握系统中对本章的重点在于掌握系统中对作业和进程如何实作业和进程如何实施调度施调度,作业调度和进程,作业调度和进程调度的功能调度的功能;掌握;掌握常用调度常用调度算法的实现思想算法的实现思想,并能计算出各个算法的,并能计算出各个算法的性能指标性能指标;能简单分析常用调度算法的性能。能简单分析常用调度算法的性能。4.1 分级调度分级调度返回1.调度层次2.作业的状态及转换3.作业和进程的关系4.调度的性能准则 调度:选出待分派的作业或进程。处理机调度的目的是分配调度:选出待分派的作业或进程。处
3、理机调度的目的是分配处理机。处理机。1.调度层次调度层次n n高级调度(宏观调度、作业调度)n n把外存上处于后备队列中的那些作业调入内存,把外存上处于后备队列中的那些作业调入内存,并创建进程,分配资源,将进程加入就绪队列。并创建进程,分配资源,将进程加入就绪队列。由于这种调度由于这种调度决定哪些作业可以进入系统决定哪些作业可以进入系统,所以,所以也称也称收容调度收容调度。作业一旦被系统收容,就便成进。作业一旦被系统收容,就便成进程或进程组。程或进程组。n n中级调度(交换调度:内外存交换)n n从存储器资源的角度看,将把暂时不能运行的进从存储器资源的角度看,将把暂时不能运行的进程调至外存就绪
4、,将当前所需部分换入到内存,程调至外存就绪,将当前所需部分换入到内存,提高内存利用率和系统吞吐量。提高内存利用率和系统吞吐量。中级调度实际上中级调度实际上是存储器之间的对换。是存储器之间的对换。n n低级调度(微观调度、进程调度)n n决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机决定就绪队列中的哪个进程应获得处理机(即低(即低级调度是将处理机分配给进程)级调度是将处理机分配给进程),低级调度是由,低级调度是由每秒可操作许多次的处理机调度程序执行,处理每秒可操作许多次的处理机调度程序执行,处理机调度程序应常驻内存。机调度程序应常驻内存。n n两种调度方式:两种调度方式:非抢占方式:进程一直执行直到完成或
5、发生某事件被阻塞。抢占方式:由于优先权、短作业优先或时间片到等因素,终止现行进程。n n线程调度:可有OS内核完成,也可由用户程序进行。调度队列模型调度队列模型仅具有进程调度的调度队列模型仅具有进程调度的调度队列模型就 绪 队 列阻 塞 队 列CPU时间片完交互用户进程调度进程完成等待事件事件发生 具有高、低两级调度的调度队列模型具有高、低两级调度的调度队列模型就 绪 队 列阻 塞 队 列CPU时间片完作业调度进程调度进程完成等待事件1阻 塞 队 列阻 塞 队 列等待事件2等待事件n事件1发生事件2发生事件n发生后 备 队 列 具有高、低、中三级调度的调度队列模型具有高、低、中三级调度的调度队
6、列模型就 绪 队 列绪就、挂 起 队 列CPU时间片完作业调度进程调度进程完成事件出现阻 塞 队 列挂起等待事件中级调度事件发生后 备 队 列塞阻、挂 起 队 列挂起2.作业的状态及其转换作业的状态及其转换 作业从提交给系统,直到完成任务退出系统前,在整个活动过程中它会处于不同的状态。通常,作业的状态分为:提交、后备(收容)、运行和完成。提交状态:一个作业处于从输入设备进入外部存储设备的过程时所处的状态后备状态:作业的全部信息都已通过输入设备输入作业的输入井中等待进入内存。运行状态:作业一旦被作业调度程序选中,分配所需的资源,为其建立进程,而被送入内存中投入运行。完成状态:作业完成其全部运行,
7、释放出其所占用的资源,准备退出系统时的作业。作业状态及其转换图 spoolingspooling系统系统提交提交后备后备外存外存就绪就绪等待等待运行运行就绪就绪等待等待交换调度交换调度完完成成作业调度作业调度进程调度进程调度线程调度线程调度3.作业与进程的关系作业与进程的关系 作业是用户向计算机提交任务的任务实体;进程是计算机为了完成用户任务实体而设置的执行实体。计算机要完成一个任务实体,必须要有一个以上的执行实体,一个作业总是由一个以上的多个进程组成。分时系统中无作业的概念,进程几乎存在于所有多道程序设计系统中。4.调度的性能准则 我们可从不同的角度来判断调度算法的我们可从不同的角度来判断调
8、度算法的性能,如性能,如用户的角度用户的角度、处理机的角度处理机的角度和和算算法实现的角度法实现的角度。实际的调度算法选择是一。实际的调度算法选择是一个综合的判断结果。个综合的判断结果。面向用户的调度性能准则面向用户的调度性能准则n n周转时间:周转时间:作业从提交到完成(得到结果)所作业从提交到完成(得到结果)所经历的时间。包括:在后备队列中等待,经历的时间。包括:在后备队列中等待,CPU上执行,就绪队列和阻塞队列中等待,结果输上执行,就绪队列和阻塞队列中等待,结果输出等待出等待批处理系统批处理系统n n平均周转时间平均周转时间Tn n平均带权周转时间平均带权周转时间W(带权周转时间带权周转
9、时间W是是 T(周转周转)/T(CPU执行执行)n n响应时间:响应时间:用户输入一个请求(如击键)到系用户输入一个请求(如击键)到系统给出首次响应(如屏幕显示)的时间统给出首次响应(如屏幕显示)的时间分分时系统时系统面向系统的调度性能准则面向系统的调度性能准则n n吞吐量:吞吐量:吞吐量:吞吐量:单位时间内所完成的作业数,跟作业本身特性和调单位时间内所完成的作业数,跟作业本身特性和调单位时间内所完成的作业数,跟作业本身特性和调单位时间内所完成的作业数,跟作业本身特性和调度算法都有关系度算法都有关系度算法都有关系度算法都有关系批处理系统。批处理系统。批处理系统。批处理系统。n n平均周转时间平
10、均周转时间平均周转时间平均周转时间不是吞吐量的倒数,因为并发执行的作业在不是吞吐量的倒数,因为并发执行的作业在不是吞吐量的倒数,因为并发执行的作业在不是吞吐量的倒数,因为并发执行的作业在时间上可以重叠。如:在时间上可以重叠。如:在时间上可以重叠。如:在时间上可以重叠。如:在2 2小时内完成小时内完成小时内完成小时内完成4 4个作业,而每个周个作业,而每个周个作业,而每个周个作业,而每个周转时间是转时间是转时间是转时间是1 1小时,则吞吐量是小时,则吞吐量是小时,则吞吐量是小时,则吞吐量是2 2个作业个作业个作业个作业/小时。小时。小时。小时。n n处理机利用率:处理机利用率:处理机利用率:处理
11、机利用率:大中型主机。大中型主机。大中型主机。大中型主机。n n各种设备的均衡利用:各种设备的均衡利用:各种设备的均衡利用:各种设备的均衡利用:如如如如CPUCPU繁忙的作业和繁忙的作业和繁忙的作业和繁忙的作业和I/OI/O繁忙的作业繁忙的作业繁忙的作业繁忙的作业搭配搭配搭配搭配大中型主机。大中型主机。大中型主机。大中型主机。公平性:公平性:不因作业或进程本身的特性而使上述指标过分恶化。不因作业或进程本身的特性而使上述指标过分恶化。如长作业等待很长时间。如长作业等待很长时间。优先级:优先级:可以使关键任务达到更好的指标。可以使关键任务达到更好的指标。调度算法本身的调度性能准则调度算法本身的调度
12、性能准则n易于实现易于实现n执行开销比执行开销比4.2 作业调度作业调度返回1.作业控制块2.作业调度及功能3.作业调度目标与性能衡量 作业调度的任务:完成作业从后备状态到运行状态的转变,以及从运行态到完成态的转变。1.1.作业控制块作业控制块 在多道批处理系统中通常有若干作业被收容在输入井中,为了管理和调度作业,就必须记录已进入系统的各作业的情况,系统为每个作业设置了一个作业控制块(JCB)。内容:作业名、作业状态、作业调度,以及资源申请和一些控制信息。作业控制块JCB作业名作业名作业名作业名作业类型作业类型作业类型作业类型资源要求资源要求资源要求资源要求资源使用情况资源使用情况资源使用情况
13、资源使用情况 优先级优先级优先级优先级当前状态当前状态当前状态当前状态其它其它其它其它2.作业调度及功能 作业调度的任务:完成作业从后备状态到运行状态的转变,以及从运行态到完成态的转变。作业调度的转换过程 (1)作业从后备状态到执行状态 P85(a)框图 (2)作业从执行状态到完成状态 P85(b)框图后备作业队列空按调度算法从作业中选出一作业调用存储、设备管理程序,审核资源要求资源要求能满足?放弃该作业否分配资源调用进程管理程序建立进程进程调度否是出口作业从后备状态到执行状态作业从后备状态到执行状态是调用存储管理、设备管理程序回收分配该作业的全部资源要求撤消该作业的所有进程及作业的JCB调用
14、统计程序,计算该作业的执行费用调度下一个作业作业从执行状态到完成状态作业从执行状态到完成状态作业调度的功能作业调度的功能 具体说来,作业调度的功能如下:记录系统中各个作业的情况;(记录情况)按照某种调度算法从后备作业队列中选取作业;(挑选作业)为被选取的作业分配内存和外设资源;(分配资源)为选中的作业建立相应的进程。(建立进程)在作用运行完毕或运行过程中因某种原因需要撤离时,作业调度程序还有完成作业的善后处理工作,如收回分配给他的全部资源,它们将从系统中撤消。(善后处理)3.作业调度的目标与性能衡量 调度的目标调度的目标 对所有作业应该是公平合理 应使设备有高的利用率 每天执行尽可能多的作业
15、有快的响应时间 要设计一个理想的调度算法是一件十分困难的要设计一个理想的调度算法是一件十分困难的要设计一个理想的调度算法是一件十分困难的要设计一个理想的调度算法是一件十分困难的事事事事,在实际系统中,调度算法往往折衷考虑。在实际系统中,调度算法往往折衷考虑。在实际系统中,调度算法往往折衷考虑。在实际系统中,调度算法往往折衷考虑。设计调设计调设计调设计调度算法时应考虑的因素:度算法时应考虑的因素:度算法时应考虑的因素:度算法时应考虑的因素:n n 调度算法应与系统设计目标保持一致调度算法应与系统设计目标保持一致调度算法应与系统设计目标保持一致调度算法应与系统设计目标保持一致n n 注意系统资源均
16、衡使用注意系统资源均衡使用注意系统资源均衡使用注意系统资源均衡使用n n 保证提交的作业在截止时间内完成保证提交的作业在截止时间内完成保证提交的作业在截止时间内完成保证提交的作业在截止时间内完成n n 设法缩短作业平均周转时间设法缩短作业平均周转时间设法缩短作业平均周转时间设法缩短作业平均周转时间 大多数操作系统都采用比较简单的调度算法大多数操作系统都采用比较简单的调度算法大多数操作系统都采用比较简单的调度算法大多数操作系统都采用比较简单的调度算法 假定某一作业到达的时间为假定某一作业到达的时间为T Tsisi,它被选它被选中执行,得到计算结果的时间为中执行,得到计算结果的时间为T Teiei
17、 。作业的周转时间为作业的周转时间为T Ti i T Teiei T Tsisi 作业平均周转时间为:作业平均周转时间为:T T 其中,其中,n n为作业流中的作业数为作业流中的作业数 作业平均周转时间 调度算法性能的衡量 平均带权周转时间 作业的带权周转时间为作业的带权周转时间为W Wi i T Ti i/riri W=W=其中,其中,riri 为某作业为某作业i i的实际执行时间的实际执行时间4.3 进程调度进程调度 要解决的问题:要解决的问题:要解决的问题:要解决的问题:WHATWHAT:按什么原则分配按什么原则分配按什么原则分配按什么原则分配CPU CPU 进程调度算法进程调度算法进程
18、调度算法进程调度算法 WHENWHEN:何时分配何时分配何时分配何时分配CPU CPU 进程调度的时机进程调度的时机进程调度的时机进程调度的时机 HOWHOW:如何分配如何分配如何分配如何分配CPU CPUCPU CPU调度过程(进程的上下文切换)调度过程(进程的上下文切换)调度过程(进程的上下文切换)调度过程(进程的上下文切换)1.进程调度的功能2.进程调度的时机3.进程调度的方式4.进程调度的过程5.进程调度性能衡量1.进程调度的功能进程调度的功能 进程调度的任务是控制协调进程对进程调度的任务是控制协调进程对进程调度的任务是控制协调进程对进程调度的任务是控制协调进程对CPUCPUCPUCP
19、U的竞争,的竞争,的竞争,的竞争,即按一定的调度算法从就绪队列中选中即按一定的调度算法从就绪队列中选中即按一定的调度算法从就绪队列中选中即按一定的调度算法从就绪队列中选中一个一个一个一个进程,把进程,把进程,把进程,把CPUCPUCPUCPU的使用权交给被选中的进程。的使用权交给被选中的进程。的使用权交给被选中的进程。的使用权交给被选中的进程。进程调度的功能:进程调度的功能:1.记录记录所有进程的运行状况(静态和动态);所有进程的运行状况(静态和动态);2.选择选择适当的进程分派适当的进程分派CPU;3.完成进程完成进程上下文切换上下文切换。在进程(上下文)中切换的步骤在进程(上下文)中切换的
20、步骤在进程(上下文)中切换的步骤在进程(上下文)中切换的步骤n n 保存处理器的上下文,包括程序计数器和其它寄保存处理器的上下文,包括程序计数器和其它寄存器存器 n n 用新状态和其它相关信息更新正在运行进程的用新状态和其它相关信息更新正在运行进程的PCB PCB n n 把原来的进程移至合适的队列把原来的进程移至合适的队列-就绪、阻塞就绪、阻塞 n n 选择另一个要执行的进程选择另一个要执行的进程 n n 更新被选中进程的更新被选中进程的PCB PCB n n 从被选中进程中重装入从被选中进程中重装入 CPU CPU 上下文上下文2.进程调度的时机进程调度的时机n当一个进程运行完毕,或由于某
21、种错误而终止运行。当一个进程运行完毕,或由于某种错误而终止运行。(完成任务完成任务)n执行完系统调用,在系统程序返回用户进程时,可认为系统进程执行完毕,执行完系统调用,在系统程序返回用户进程时,可认为系统进程执行完毕,从而可调度选择一新的用户进程执行。从而可调度选择一新的用户进程执行。(完成任务完成任务)n执行中的进程自己调用的阻塞原语将自己阻塞起来进入等待状态。执行中的进程自己调用的阻塞原语将自己阻塞起来进入等待状态。(等待等待资源资源)n执行中的进程执行了执行中的进程执行了P原语操作,从而因资源不足而被阻塞,或调用了原语操作,从而因资源不足而被阻塞,或调用了V原语操作激活了等待资源的进程队
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