【复习408】处理机调度与死锁浅析

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一、处理机调度核心知识体系
二、死锁核心知识体系

一、处理机调度核心知识体系

1.1 调度的层次性与时机控制

操作系统调度分为三个层次： 高级调度（作业调度）‍ 、中级调度（内存调度）‍ 和低级调度（进程调度）‍。其中，进程调度是其中重点，其触发时机包括进程终止、进程阻塞、时间片用完、I/O中断以及抢占式调度中的优先级变化等场景。

调度过程的本质是上下文切换：保存当前进程状态、选择新进程、恢复新进程状态。该过程需严格保证原子性，防止状态不一致导致系统错误。

1.2 调度准则与评价指标

评价算法优劣的核心指标包括：

CPU利用率：CPU有效工作时间占比
吞吐量：单位时间完成作业数量
周转时间（Turnaround Time）：从作业提交到完成的总时间，计算公式为 T = 完成时间 - 到达时间
等待时间：进程在就绪队列中的累计等待时长
响应时间：从请求提交到首次响应的时间间隔
公平性：各进程获得CPU时间的均衡程度

这些指标在分析算法时需综合权衡，例如高吞吐量可能伴随长作业的不公平等待。

1.3 经典调度算法深度解析

1.3.1 先来先服务调度算法（FCFS）

原理：严格按进程到达就绪队列的先后顺序分配CPU，属于不可抢占式算法。

优点：

实现简单，公平性直观
无饥饿现象，所有进程最终必获服务

缺点：

护航效应（Convoy Effect）‍ ：短作业被迫等待长作业完成，平均等待时间恶化。例如，若长作业先到达，后续短作业周转时间将显著增加
对CPU密集型与I/O密集型进程未作区分，资源利用率低
适用场景：批处理系统或作为其他算法的基准对照。

1.3.2 短作业优先调度算法（SJF）

原理：选择预计执行时间最短的进程优先执行，可分为 抢占式（SRTF, Shortest Remaining Time First）‍ 和非抢占式两种 。

优点：

理论最优性：可证明SJF能获得最小平均周转时间
系统吞吐量显著提升
缺点：
长作业饥饿：若短作业持续到达，长作业可能长时间无法执行
执行时间预估困难：需依赖历史数据或用户估计，准确性难以保证
不公平性：对长作业响应性差

重点：需掌握抢占式SJF的调度过程绘制，以及周转时间、等待时间的精确计算。例如，给定进程到达时间与执行时间，要求绘制甘特图并计算各指标。

1.3.3 时间片轮转调度算法（RR）

原理：将就绪队列组织为FIFO队列，每个进程分配固定时间片（Quantum），时间片用完后强制剥夺CPU并移至队尾。

时间片设计：

过大：退化为FCFS，响应性下降
过小：上下文切换开销占比过高，系统效率降低

优点：

公平性：各进程获得均等CPU时间
响应及时：适合交互式系统

缺点：

平均周转时间通常劣于SJF
进程切换带来的开销不可忽视

要点：需计算给定时间片下的调度序列，并分析时间片大小对性能指标的影响。

1.3.4 优先级调度算法（PSA）

原理：为每个进程分配优先级，调度器选择优先级最高者执行。优先级分为静态（固定不变）和动态（运行时可调整）两类。

动态优先级调整策略：

等待时间越长优先级越高：防止饥饿
执行时间越长优先级越低：避免长作业垄断CPU

问题：

优先级反转：低优先级进程持有高优先级进程所需资源，导致高优先级进程阻塞
饥饿：低优先级进程长期无法执行

解决方案：优先级继承协议（Priority Inheritance）、优先级天花板协议。

1.3.5 高响应比优先调度算法（HRRN）

原理：动态计算响应比 R = (等待时间 + 要求服务时间) / 要求服务时间，选择R最高者执行。

特性：

融合优势：兼顾SJF的短作业优先和FCFS的长作业公平性
自适应性：等待时间越长，响应比越高，防止长作业无限等待
非抢占式：进程一旦开始执行便运行至完成

重点：需理解响应比公式中各项的权衡意义，并能计算特定时刻各进程的响应比以决定调度顺序。

1.3.6 多级反馈队列调度算法（MFQ）

原理：将就绪队列分为多级，每级队列拥有不同优先级和时间片大小。新生进程进入最高优先级队列，若未完成则降级至下一级队列。

核心机制：

优先级与时间片负相关：高优先级队列时间片短（响应快），低优先级队列时间片长（批处理）
降级惩罚：CPU占用久的进程逐步降低优先级
aging机制：低优先级队列进程等待过久可提升优先级，防止饥饿

优点：

自适应性：无需预知进程执行时间
综合性：短作业快速完成，长作业也能获得合理CPU时间
系统响应性优异：终端交互进程通常能快速完成

二、死锁核心知识体系

2.1 死锁的精确定义与必要条件

死锁是指多个进程因竞争资源而陷入永久阻塞的状态，若无外力干预，这些进程将无法继续推进。

产生的四个必要条件（必须全部满足）：

互斥条件：资源一次仅允许一个进程占用
持有并等待条件：进程已持有至少一个资源，同时等待其他进程占有的资源
不可抢占条件：已分配资源不能被强制剥夺，必须由进程主动释放
循环等待条件：存在进程等待环路，P1等P2，P2等P3，…，Pn等P1

要点：必须能判断给定资源分配场景是否满足四个必要条件，并理解破坏任一条件即可预防死锁。

2.2 死锁处理策略全景图

操作系统面对死锁有四种基本策略：

策略	核心思想	优点	缺点	适用场景
预防（Prevention）‍	破坏死锁四个必要条件之一	严格保证系统不死锁	资源利用率低，进程行为受限	实时系统、关键任务
避免（Avoidance）‍	动态检查资源请求，确保系统始终处于安全状态	资源利用率高	算法复杂，需预知最大资源需求	批处理系统、资源分配明确
检测与恢复（Detection & Recovery）‍	定期检测死锁，发现后强制恢复	资源利用率最高	恢复代价大，可能造成数据不一致	通用操作系统（如UNIX）
忽略（Ignore）‍	假设死锁不会发生	无开销	风险极高	个人计算机、开发环境

重点：需理解各策略的本质区别，特别是预防与避免的策略差异——预防是静态破坏条件，避免是动态规避风险。

2.3 死锁预防的具体实现

通过破坏四个必要条件实现：

① 破坏互斥条件：将独占资源改造为共享资源。例如，SPOOLing技术将打印机虚拟化为共享设备。但该方法不适用于所有资源（如临界区代码）。
② 破坏持有并等待条件：要求进程一次性申请所有资源，否则不得开始执行。缺点：

进程需预知全部资源需求
资源利用率极低，进程长期占用未使用资源

③ 破坏不可抢占条件：允许抢占已分配资源。例如，高优先级进程可强制剥夺低优先级进程的资源。但需解决数据一致性问题，实现复杂。

④ 破坏循环等待条件：对资源类型全局编号，进程必须按递增顺序申请资源。该方法效果显著，但限制了进程编程灵活性。

2.4 死锁避免与安全状态

核心思想：资源分配前进行安全性检查，仅当系统保持安全状态时才分配资源。

安全状态定义：存在至少一个安全序列 <P1, P2, …, Pn>，使得对每个进程Pi，其剩余资源需求可被当前可用资源加上所有Pj（j < i）已持有的资源满足。若不存在安全序列，则系统处于不安全状态。

重要结论：安全状态一定不会发生死锁，但不安全状态未必已死锁，而是存在死锁风险。

2.5 银行家算法深度剖析

银行家算法是死锁避免的经典实现，要求每个进程预先声明最大资源需求 Max[i,j]。

数据结构：

Available[j] ：资源类j的当前可用数量
Allocation[i,j] ：进程i已分配资源j的数量
Need[i,j] = Max[i,j] - Allocation[i,j] ：进程i仍需资源j的数量

算法流程：

请求检查：若 Request_i ≤ Need_i，否则出错
可行性检查：若 Request_i ≤ Available，否则等待
试探分配：修改 Available -= Request_i, Allocation_i += Request_i, Need_i -= Request_i
安全性检查：调用安全性算法，若找到安全序列则确认分配，否则回滚并阻塞进程

安全性算法：