第三章 处理机调度与死锁
一、处理机调度的层次
1. 高级调度
1）作业和作业步
2）作业控制块JCB
3）作业调度:决定①接纳多少个作业。②接纳哪些作业
2. 低级调度：进程调度或短程调度
1）功能 ：决定就绪对立中的哪个进程应获得处理机。
(1)保存处理机的现场信息。(2)按某种算法选取进程。(3)把处理机分配给进程。
2）三个基本机制
（1）排队器、（2）、分派器（3）上下文切换机制。
3）进程调度方式
（1）非抢占方式：适用于大多数的多道批处理系统环境
（2）抢占方式：能满足对响应时间有着较严格要求的实时任务的需求。
原则：优先权原则、短作业优先原则、时间片原则。
- 中级调度：中程调度
引入中级调度的主要目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。
二、调度队列模型和调度准则
1.调度队列模型
1）仅有进程调度的调度队列模型
2）具有高级和低级调度的调度队列模型。具有进程和作业调度
3）同时具有三级调度的调度队列模型
2. 选择调度方式和调度算法的若干准则
1）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
2）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。
三.调度算法※
1）先来先服务和短作业(进程)优先调度算法（FCFS）
①先来先服务调度算法 ：FCFS调度算法有利于CPU繁忙型的作业，而不利于I/O繁忙型的作业(进程)。
②短作业(进程)优先调度算法：这说明SJF调度算法能有效地降低作业的平均等待时间，提高系统吞吐量。
(1) 该算法对长作业不利。
(2) 该算法完全未考虑作业的紧迫程度
(3) 不一定能真正做到短作业优先调度
2）高优先权优先调度算法
1．优先权调度算法的类型，分为两种：
(1) 非抢占式优先权算法
(2) 抢占式优先权调度算法
2．优先权的类型
（1) 静态优先权：静态优先权是在创建进程时确定的，且在进程的整个运行期间保持不变。
（2) 动态优先权：动态优先权是指在创建进程时所赋予的优先权，是可以随进程的推进或随其等待时间的增加而改变的。
3. 高响应比优先调度算法
3）基于时间片的轮转调度算法
1．时间片轮转法
2．多级反馈队列调度算法
（1）应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。
（2）算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同
（3）当一个新进程进入内存后，首先将它放入第一队列的末尾，按FCFS原则排队等待调度。
（4）仅当第一队列空闲时，调度程序才调度第二队列中的进程运行
5）如果处理机正在第i队列中为某进程服务时，又有新进程进入优先权较高的队列，则此时新进程将抢占正在运行进程的处理机。
适合用户：终端型作业用户；短批、长批处理作业用户。
四、实时调度※
1）实现实时调度的基本条件
(1)提供必要的信息
①就绪时间（到达时间）
② 开始截止时间和完成截止时间
③ 处理时间
④ 资源要求
⑤ 优先级：绝对、相对优先级
（2）系统处理能力强
（3）采用抢占式调度机制
（4）具有快速切换机制
2）实时调度算法的分类
(1)非抢占式调度算法
①非抢占式优先调度算法
②非抢占式优先调度算法
(2)抢占式优先调度算法
①基于时钟中断的抢占式优先权调度算法
②立即抢占的优先权调度算法
3）常用的几种实时调度算法
(1) 最早截止时间优先即EDF(Earliest Deadline First)算法
(2） 最低松弛度优先即LLF(Least Laxity First)算法
五、产生死锁的原因和必要条件※
1. 产生死锁的原因
（1）竞争资源
①可剥夺和非剥夺性资源
②竞争非剥夺性资源
③竞争临时性资源
（2）进程间推进顺序非法
①进程推进顺序合法
②进程推进顺序非法
2.产生死锁的必要条件
1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用
·· 2）请求和保持条件（部分分配）：
3）不可剥夺条件（不可强占）
4）环路等待条件
3.处理死锁的基本方法
1） 预防死锁
2） 避免死锁
3) 检测死锁
4) 解除死锁
六、预防死锁的方法
1.预防死锁
1）摒弃“请求和保持（部分分配）”条件：规定所有进程在开始运行之前，都必须一次性地申请其在整个运行过程所需的全部资源。
2）摒弃“不可剥夺”条件：提出新的资源请求而不能立即得到满足时，必须释放它已经保持了的所有资源，即它的资源是可以被剥夺的
3）摒弃“环路等待”条件：规定系统将所有资源按类型进行线性排队，并赋予不同的序号
2.系统安全状态
1）安全状态
2）由安全状态向不安全状态的转换
如果不按照安全序列分配资源，则系统可能会由安全状态进入不安全状态。
- 3. 利用银行家算法避免死锁
（1）．银行家算法中的数据结构
1）可利用资源向量Available
2）最大需求矩阵Max
3）分配矩阵Allocation
4）需求矩阵Need
Need[i, j]=Max[i, j]-Allocation[i, j]
5）工作向量Work：在执行安全性检查开始时，Work:=Available。
6）状态标志Finish：初始值为false，达到上述要求时其值为true
7）进程申请资源向量Request
七、.死锁的检测与解除
1.死锁的检测
1）资源分配图
2）死锁定理
3）死锁检测中的数据结构
2.死锁的解除
1) 剥夺资源
2) 撤消进程
第四章 存储器管理
4.1 存储器的层次结构
4.1.1.多级存储器结构
最高层：CPU寄存器
中间：主存
最底层：辅存
4.1.2.主存储器与寄存器
1．主存储器：用于保存进程运行时的程序和数据，也称可执行存储器
2．寄存器：寄存器用于加速存储器的访问速度
4.1.3 高速缓存和磁盘缓存
1．高速缓存
2．磁盘缓存
4.2 程序的装入和链接
用户源程序变为一个可在内存中执行的程序步骤：(1)编译、 (2)链接、 (3)装入
4.2.1 程序的装入
1．绝对装入方式
2．可重定位装入方式： 根据内存的当前情况，将装入模块装入到内存的适当位置。地址变换通常是在装入时一次完成的，以后不再改变，故称为静态重定位。
·· 3．动态运行时装入方式
4.2.2 程序的链接
根据链接时间的不同，可把链接分成如下三种：静态，装入时动态、运行时动态。
1．静态链接方式： (1) 对相对地址进行修改。 (2) 变换外部调用符号。
2．装入时动态链接 (1) 便于修改和更新 (2) 便于实现对目标模块的共享
3．运行时动态链接
4.3 连续分配方式
4.3.1 单一连续分配：只能用于单用户、单任务的操作系统中。
4.3.2 固定分区分配
1．划分分区的方法：(1) 分区大小相等 (2) 分区大小不等
2．内存分配
4.3.3 动态分区分配
1．分区分配中的数据结构：(1) 空闲分区表(2) 空闲分区链
2. 分区分配算法
1) 首次适应算法(first fit)：增加查找可用空闲分区时的开销。
2) 循环首次适应算法(next fit)
3) 最佳适应算法(best fit)：避免“大材小用”。
4) 最坏适应算法(worst fit)
5) 快速适应算法(quick fit)
3．分区分配操作
1) 分配内存
2) 回收内存
4.3.6 可重定位分区分配
1．动态重定位的引入
2．动态重定位的实现
3．动态重定位分区分配算法
4.3.7 对换
1．对换(Swapping)的引入
整体对换（进程对换）、页面对换（分段对换、部分对换）
2．对换空间的管理
文件区：用于存放文件
对换区（外存）：用于存放从内存换出的进程。
3．进程的换出与换入
(1)进程的换出
(2)进程的换入
4.4 基本分页存储管理方式※
4.4.1 页面与页表
1．页面
（1) 页面和物理块
将一个进程的逻辑地址空间分成若干个大小相等的片，称为页面或页
把内存空间分成与页面相同大小的若干个存储块，称为(物理)块或页框
（2） 页面大小：大小应适中。
2．地址结构
3．页表
在分页系统中，为每个进程建立了一张页面映像表，简称页表。
4.4.2 地址变换机构
1．基本的地址变换机构：在系统中只设置一个页表寄存器PTR
2．具有快表的地址变换机构
4.4.3 两级页表
为离散分配的页表再建立一张页表，称为外层页表。
1.5 基本分段存储管理方式※
4.5.1 分段存储管理方式的引入
（1） 方便编程：用户把自己的作业按照逻辑关系划分为若干个段，每个段都是从0开始编址，并有自己的名字和长度。
（2） 信息共享：在实现对程序和数据的共享时，是以信息的逻辑单位为基础的。
（3） 信息保护：信息保护同样是对信息的逻辑单位进行保护
（4） 动态增长
（5） 动态链接：当运行过程中又需要调用某段时，才将该段(目标程序)调入内存并进行链接
4.5.2 分段系统的基本原理
1. 分段：在分段存储管理方式中，作业的地址空间被划分为若干个段，每个段定义了一组逻辑信息。
2．段表：为每个分段分配一个连续的分区，进程中的各个段可以离散地移入内存中不同的分区中。
3．地址变换机构：段表寄存器，用于存放段表始址和段表长度TL。
4．分页和分段的主要区别
(1) 页是信息的物理单位，段则是信息的逻辑单位
(2) 页的大小固定且由系统决定，段的长度却不固定决定于用户所编写的程序
(3) 分页的作业地址空间是一维的，分段的作业地址空间则是二维的
4.5.3 信息共享
可重入代码：绝对不允许可重入代码在执行中有任何改变。
4.5.4 段页式存储管理方式
1．基本原理：先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名
2．地址变换过程：在段页式系统中，为了获得一条指令或数据，须三次访问内存。
4.6 虚拟存储器的基本概念※
4.6.1 虚拟存储器的引入
1．常规存储器管理方式的特征(1) 一次性 、 (2) 驻留性
2．局部性原理(1) 时间局限性(2) 空间局限性。
3．虚拟存储器的定义
4.6.2 虚拟存储器的实现方法
1．分页请求系统：这是在分页系统的基础上，增加了请求调页功能和页面置换功能所形成的页式虚拟存储系统。
（1） 硬件支持：① 请求分页的页表机制② 缺页中断机构③ 地址变换机构
（2）实现请求分页的软件：
2．请求分段系统：在分段系统的基础上，增加了请求调段及分段置换功能后所形成的段式虚拟存储系统。
(1) 请求分段的段表机制
(2) 缺段中断机构
(3) 地址变换机构
4.6.3 虚拟存储器的特征
1．多次性
2．对换性
3．虚拟性
4.7 请求分页存储管理方式※
4.7.1 请求分页中的硬件支持
1．页表机制
2．缺页中断机构
(1) 在指令执行期间产生和处理中断信号
(2) 一条指令在执行期间，可能产生多次缺页中断
3．地址变换机构
4.7.2 内存分配策略和分配算法
1．最小物理块数：指能保证进程正常运行所需的最小物理块数
2．物理块的分配策略
(1) 固定分配局部置换
(2) 可变分配全局置换
(3) 可变分配局部置换
4.7.3 调页策略
1．调入页面的时机
（1）预调页策略
（2） 请求调页策略
2．确定从何处调入页面
3．页面调入过程
4.8 页面置换算法※
4.8.1 最佳置换算法和先进先出置换算法
1．最佳(Optimal)置换算法
以后永不使用的，或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面
2．先进先出(FIFO)页面置换算法
4.8.2 最近最久未使用(LRU)置换算法
（1） 寄存器
（2） 栈
4.8.3 Clock置换算法
1．简单的Clock置换算法
2．改进型Clock置换算法
4.8.4 其它置换算法
1．最少使用(LFU：Least Frequently Used)置换算法
2．页面缓冲算法
4.9 请求分段存储管理方式
4.9.1 请求分段中的硬件支持
1．段表机制
2．缺段中断机构
3．地址变换机构
4.9.2 分段的共享与保护
1．共享段表：(1) 共享进程计数count、(2) 存取控制字段、(3) 段号
2．共享段的分配与回收
1) 共享段的分配
2) 共享段的回收
3．分段保护
1) 越界检查
2）存取控制检查：只读、只执行、读写。
3） 环保护机构