zhy处理机调度.ppt
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1、第第4 4章章 处理机调度处理机调度 CPUCPU是计算机系统中一个十分重要的资源是计算机系统中一个十分重要的资源 不同的不同的CPUCPU管理方法将为用户提供不同性能的操作管理方法将为用户提供不同性能的操作系统系统 操作系统的要求不同,处理机管理的策略也是不操作系统的要求不同,处理机管理的策略也是不同的同的本章以本章以CPUCPU管理为核心,讨论管理、控制用户进程执管理为核心,讨论管理、控制用户进程执行的方法。行的方法。 包括:包括: 作业与进程的关系;作业和进程的调度策作业与进程的关系;作业和进程的调度策略与算法;几种调度策略的评价略与算法;几种调度策略的评价概述概述第第4 4章章 处理机
2、调度处理机调度衡量调度策略的常用指标:衡量调度策略的常用指标: 周转时间周转时间:将一个作业提交给计算机系统后到:将一个作业提交给计算机系统后到该作业的结果返回给用户所需要的时间该作业的结果返回给用户所需要的时间 吞吐率吞吐率:在给定的时间内,一个计算机系统所:在给定的时间内,一个计算机系统所完成的总工作量完成的总工作量 响应时间响应时间:从用户向计算机发出一个命令到计:从用户向计算机发出一个命令到计算机把相应的执行结果返回给用户所需的时间算机把相应的执行结果返回给用户所需的时间 设备利用率设备利用率:输入输出设备的使用情况:输入输出设备的使用情况第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.1 4
3、.1 分级调度分级调度 4.1.1 4.1.1 作业的状态及其转换作业的状态及其转换 4.1.2 4.1.2 调度的层次调度的层次 4.1.3 4.1.3 作业与进程的关系作业与进程的关系第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.1.1 4.1.1 作业的状态及其转换作业的状态及其转换作业的基本概念作业的基本概念(1 1)作业)作业 用户在一次计算过程中,或者一次事务处理过程用户在一次计算过程中,或者一次事务处理过程中,要求计算机系统所做工作的总称中,要求计算机系统所做工作的总称(2 2)作业步)作业步 一个作业可划分成若干部分,称为一个作业步一个作业可划分成若干部分,称为一个作业步第第4 4章
4、章 处理机调度处理机调度4.1.1 4.1.1 作业的状态及其转换作业的状态及其转换 一个作业从用户提交开始到真正占有处理机而一个作业从用户提交开始到真正占有处理机而被执行,要由系统经过多级调度才能实现,作业被执行,要由系统经过多级调度才能实现,作业处理的过程处理的过程一般都要经历提交、收容、执行和完一般都要经历提交、收容、执行和完成等成等4 4个状态:个状态: 提交提交:一个作业在其处于从设备进入外部存储:一个作业在其处于从设备进入外部存储设备的过程称为提交状态设备的过程称为提交状态 收容收容:也称为后备状态,一个作业的全部信息:也称为后备状态,一个作业的全部信息都被输入进外存,在它还未被调
5、度去执行之前,都被输入进外存,在它还未被调度去执行之前,该作业处于收容状态该作业处于收容状态第第4 4章章 处理机调度处理机调度执行执行: 作业调度程序从后备作业中选取若干个作作业调度程序从后备作业中选取若干个作业到内存投入运行。它为被选中作业建立进程并业到内存投入运行。它为被选中作业建立进程并分配必要的资源,这时这些被选中的作业处于执分配必要的资源,这时这些被选中的作业处于执行状态。行状态。完成完成: 当作业运行完毕,但它所占有的资源尚未当作业运行完毕,但它所占有的资源尚未全部被系统回收时,该作业处于完成状态全部被系统回收时,该作业处于完成状态4.1.1 4.1.1 作业的状态及其转换作业的
6、状态及其转换图图4.1 4.1 作业的状态及其转换图作业的状态及其转换图第第4 4章章 处理机调度处理机调度作业和进程的状态转换图作业和进程的状态转换图第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.1.24.1.2调度的层次调度的层次 处理机调度策略处理机调度策略( (处理机的分配处理机的分配) )对整个计对整个计算机系统的综合性能指标有重要影响算机系统的综合性能指标有重要影响 处理机调度的描述处理机调度的描述 先要进行作业调度,选择后备作业为其分先要进行作业调度,选择后备作业为其分 配资源创建进程,作业中的进程再进行竞争配资源创建进程,作业中的进程再进行竞争第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.
7、1.24.1.2调度的层次调度的层次一般处理机调度分为四级:一般处理机调度分为四级: 作业调度作业调度 交换调度交换调度 进程调度进程调度 线程调度线程调度第第4 4章章 处理机调度处理机调度 作业调度(宏观调度或高级调度)作业调度(宏观调度或高级调度) 按一定的原则对外存上的大量后备按一定的原则对外存上的大量后备作业进行选择,给选出的作业分配内存作业进行选择,给选出的作业分配内存等必要的资源,并建立相应的进程。另等必要的资源,并建立相应的进程。另外当作业执行完毕时,还负责回收系统外当作业执行完毕时,还负责回收系统资源资源4.1.24.1.2调度的层次调度的层次第第4 4章章 处理机调度处理机
8、调度 交换调度(中级调度)交换调度(中级调度) 按给定的原则和策略,将处于外存按给定的原则和策略,将处于外存交换区中的就绪状态或就绪等待状态的交换区中的就绪状态或就绪等待状态的进程调入内存,或把处于内容就绪状态进程调入内存,或把处于内容就绪状态或内存等待状态的进程交换到外存或内存等待状态的进程交换到外存 主要涉及到内存管理与扩充,也归主要涉及到内存管理与扩充,也归入内存管理部分入内存管理部分4.1.24.1.2调度的层次调度的层次第第4 4章章 处理机调度处理机调度 进程调度(微观调度或低级调度)进程调度(微观调度或低级调度) 按某种策略和方法选取一个处于按某种策略和方法选取一个处于就绪状态的
9、进程占用处理机就绪状态的进程占用处理机4.1.24.1.2调度的层次调度的层次第第4 4章章 处理机调度处理机调度 线程调度线程调度 按某种策略和方法选取一个处于就绪按某种策略和方法选取一个处于就绪状态的线程占用处理机状态的线程占用处理机4.1.24.1.2调度的层次调度的层次第第4 4章章 处理机调度处理机调度 在多道批处理系统中存在在多道批处理系统中存在作业作业调度和进程调度调度和进程调度 在分时系统和实时系统中,一在分时系统和实时系统中,一般不存在作业调度而只有般不存在作业调度而只有进程调进程调度、交换调度和线程调度度、交换调度和线程调度4.1.24.1.2调度的层次调度的层次第第4 4
10、章章 处理机调度处理机调度4.1.3 4.1.3 作业与进程的关系作业与进程的关系作业作业看作是用户向计算机提交任务的任务实体,看作是用户向计算机提交任务的任务实体,如一次计算机一个控制过程等如一次计算机一个控制过程等进程进程是计算机为了完成用户任务实体而设置的执是计算机为了完成用户任务实体而设置的执行实体,是系统分配资源的基本单位行实体,是系统分配资源的基本单位 计算机要完成一个任务实体,必须要有一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的多个进程组成第第4 4章章 处理机调度处理机调度 作业如何分解为
11、进程:作业如何分解为进程: 系统必须为一个作业创建一个根进程,系统必须为一个作业创建一个根进程, 根据任务要求,系统或根进程为其创建根据任务要求,系统或根进程为其创建相应的子进程,相应的子进程, 为各子进程分配资源和调度各子进程执为各子进程分配资源和调度各子进程执行以完成作业要求的任务行以完成作业要求的任务4.1.3 4.1.3 作业与进程的关系作业与进程的关系第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.2 4.2 作业调度作业调度 4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能 4.2.2 4.2.2 作业调度目标与性能衡量作业调度目标与性能衡量第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.2.1
12、4.2.1 作业调度功能作业调度功能 作业调度主要是完成作业从后备到执作业调度主要是完成作业从后备到执行状态的转变,以及从执行到完成状态行状态的转变,以及从执行到完成状态的转变,做四方面的工作:的转变,做四方面的工作:(1) (1) 记录系统中各作业的状况记录系统中各作业的状况(2) (2) 从后备队列中挑选出一部分作业投从后备队列中挑选出一部分作业投入执行入执行(3)(3)为被选中作业作好执行前的准备工作为被选中作业作好执行前的准备工作(4) (4) 在作业执行结束时做善后处理在作业执行结束时做善后处理第第4 4章章 处理机调度处理机调度(1)(1)记录系统中各作业的状况记录系统中各作业的状
13、况 作业调度程序要能挑出一个作业投入作业调度程序要能挑出一个作业投入执行,并且在执行过程中对其进行管理,执行,并且在执行过程中对其进行管理,它就必须掌握作业的各个状态和信息。它就必须掌握作业的各个状态和信息。 系统为每个作业建立一个作业控制块系统为每个作业建立一个作业控制块JCBJCB记录有关信息,系统通过记录有关信息,系统通过JCBJCB而感知、而感知、调度和管理作业调度和管理作业4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机调度1.作业说明书作业说明书表达用户对作业的控制意图表达用户对作业的控制意图内容:内容:作业的基本描述作业的基本描述作业控制描述作业控
14、制描述资源要求描述资源要求描述4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机调度2.2.作业控制块(作业控制块(JCB)JCB) 作业控制块是批作业控制块是批处理作业存在的标志处理作业存在的标志 保存有系统对于保存有系统对于作业进行管理所需要作业进行管理所需要的全部信息的全部信息4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能作业名作业名作业类型作业类型资源要求资源要求资源使用情况资源使用情况优先级优先级(数数)当前状态当前状态其他其他图图4.2 4.2 作业控制块作业控制块JCBJCB第第4 4章章 处理机调度处理机调度3 3、作业控制块的建立、作业控制块的
15、建立 当作业开始由输入设备向磁盘传当作业开始由输入设备向磁盘传输时,系统输入程序为其建立一个作输时,系统输入程序为其建立一个作业控制块,并进行初始化业控制块,并进行初始化 初始化的大部分信息取自作业说初始化的大部分信息取自作业说明书明书 4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机调度4 4、作业控制块的撤消、作业控制块的撤消作业完成后,其作业控制块由系统作业完成后,其作业控制块由系统撤消撤消 作业控制块被撤消后其作业也不复作业控制块被撤消后其作业也不复存在存在4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机调度 从后备队列中
16、挑选出一部分作业投入执行从后备队列中挑选出一部分作业投入执行 系统中处于后备状态的作业较多,但是处系统中处于后备状态的作业较多,但是处于执行状态的作业一般只有有限的几个。作于执行状态的作业一般只有有限的几个。作业调度程序根据选定的调度算法,从后备作业调度程序根据选定的调度算法,从后备作业队列中挑选出若干作业去投入执行业队列中挑选出若干作业去投入执行4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机调度 为被选中作业作好执行前的准备工作为被选中作业作好执行前的准备工作 为选中的作业建立相应的进程,并为这为选中的作业建立相应的进程,并为这些进程分配它们所需要的系统资源
17、,如些进程分配它们所需要的系统资源,如分配内存、外存、外设等。分配内存、外存、外设等。4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机调度 在作业执行结束时做善后处理在作业执行结束时做善后处理 输出作业管理信息,如输出执行时输出作业管理信息,如输出执行时间等,回收该作业所占用的资源,撤销间等,回收该作业所占用的资源,撤销与该作业有关的全部进行和该作业的与该作业有关的全部进行和该作业的JCBJCB4.2.1 4.2.1 作业调度功能作业调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机调度第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.2.2 4.2.2 作业调度目标与性能衡量作业
18、调度目标与性能衡量 作业调度中最主要的是从后备作业调度中最主要的是从后备作业队列中选取一批作业进行执行作业队列中选取一批作业进行执行状态,根据不同的目标,将会有不状态,根据不同的目标,将会有不同的调度算法同的调度算法第第4 4章章 处理机调度处理机调度作业调度的目标:作业调度的目标: 对所有作业应该是公平合理的对所有作业应该是公平合理的 应使设备有较高的利用率应使设备有较高的利用率 执行尽可能多的作业执行尽可能多的作业 响应时间快响应时间快4.2.2 4.2.2 作业调度目标与性能衡量作业调度目标与性能衡量第第4 4章章 处理机调度处理机调度 任一调度算法要想同时满足上述任一调度算法要想同时满
19、足上述目标是不可能的目标是不可能的 例如例如要想执行尽可能多的作业,调度要想执行尽可能多的作业,调度算法就应该选择那些估计执行时间短的算法就应该选择那些估计执行时间短的作业,但这样作的话对那些估计执行时作业,但这样作的话对那些估计执行时间长的作业又是不公平的,它们的响应间长的作业又是不公平的,它们的响应就会变的非常慢就会变的非常慢4.2.2 4.2.2 作业调度目标与性能衡量作业调度目标与性能衡量第第4 4章章 处理机调度处理机调度 如果考虑的因素过多,调度算如果考虑的因素过多,调度算法就会变的非常复杂,这样系统开销法就会变的非常复杂,这样系统开销就会增加。因此大多就会增加。因此大多OSOS都
20、有各自的目都有各自的目标实现作业调度算法标实现作业调度算法衡量一个作业调度算法优劣的标准衡量一个作业调度算法优劣的标准(批处理系统):(批处理系统):作业的平均周转时间或平均带权周转时间作业的平均周转时间或平均带权周转时间4.2.2 4.2.2 作业调度目标与性能衡量作业调度目标与性能衡量第第4 4章章 处理机调度处理机调度1.1.周转时间周转时间T Ti i: 作业作业i i的周转时间的周转时间T Ti i: T Ti iT TeieiT Tsisi T Teiei为作业为作业i i的完成时间,的完成时间,T Tsisi为作业的提交时间为作业的提交时间 含有含有n n个作业的作业流,个作业的
21、作业流,平均周转时间平均周转时间为为 T T n1niiT14.2.2 4.2.2 作业调度目标与性能衡量作业调度目标与性能衡量第第4 4章章 处理机调度处理机调度 一个作业的周转时间说明了该作业一个作业的周转时间说明了该作业在系统内停留的时间,包含两部分:等在系统内停留的时间,包含两部分:等待时间和执行时间。待时间和执行时间。 T Ti i=T=TwiwiT Triri 等待时间等待时间T Twiwi:由后备状态到执行:由后备状态到执行状态的等待时间状态的等待时间 4.2.2 4.2.2 作业调度目标与性能衡量作业调度目标与性能衡量第第4 4章章 处理机调度处理机调度2.2.带权周转时间带权
22、周转时间W Wi i: 是作业周转时间与作业执行时间的比是作业周转时间与作业执行时间的比 W Wi i 平均带权周转时间:平均带权周转时间:riiTT4.2.2 4.2.2 作业调度目标与性能衡量作业调度目标与性能衡量nii= 11W =Wn第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.3 4.3 进程调度进程调度 4.3.1 4.3.1 进程调度功能进程调度功能 4.3.2 4.3.2 进程调度的时机进程调度的时机 4.3.3 4.3.3 进程上下文切换进程上下文切换 4.3.4 4.3.4 进程调度性能评价进程调度性能评价第第4 4章章 处理机调度处理机调度 用户进程和系统进程都要使用用户进程和
23、系统进程都要使用处理机,因此进程调度程序应该按处理机,因此进程调度程序应该按照一定的策略动态地把处理机分配照一定的策略动态地把处理机分配给处于就绪队列中的某一个进程,给处于就绪队列中的某一个进程,使之执行使之执行4.3 4.3 进程调度进程调度第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.3.1 4.3.1 进程调度功能进程调度功能进程调度的具体功能如下:进程调度的具体功能如下: 记录系统中所有进程的执行情况记录系统中所有进程的执行情况 选择占有处理机的进程选择占有处理机的进程(1)(1) 进行进程上下文切换进行进程上下文切换第第4 4章章 处理机调度处理机调度4.3.1 4.3.1 进程调度功能进
24、程调度功能 1. 1.记录系统中所有进程的执行情况记录系统中所有进程的执行情况 进程管理模块的准备工作。进程管理模块的准备工作。 进程调度模块通过进程调度模块通过PCBPCB变化来掌握系统变化来掌握系统中所有进程的执行情况和状态特征,并在中所有进程的执行情况和状态特征,并在适当的时机从就绪队列中选择出一个进程适当的时机从就绪队列中选择出一个进程占据处理机。占据处理机。第第4 4章章 处理机调度处理机调度 2.选择占有处理机的进程选择占有处理机的进程 按照一定的策略选择一个处于就绪状按照一定的策略选择一个处于就绪状态的进程,使其获得处理机执行态的进程,使其获得处理机执行。 例如系统开销较少的例如
25、系统开销较少的静态优先数调度法静态优先数调度法,适合于分时系统的适合于分时系统的轮转法和多级反馈轮转法轮转法和多级反馈轮转法等。等。这些选择策略决定了调度算法的性能。这些选择策略决定了调度算法的性能。4.3.1 4.3.1 进程调度功能进程调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机调度3. 3.进行进程上下文切换进行进程上下文切换 当正在执行的进程由于某种原因要当正在执行的进程由于某种原因要让出处理机时,系统要做进程上下文切让出处理机时,系统要做进程上下文切换,以使得另一个进程得以执行。换,以使得另一个进程得以执行。4.3.1 4.3.1 进程调度功能进程调度功能第第4 4章章 处理机调度处理机
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