计算机统考重难点班讲义(操作系统)-第二讲.ppt

操作系统重难点串讲,讲师：翔高教育一级培训师地点：上海,第三章 处理机调度与死锁,重难点导航,三级调度之间的比较和含义常见的调度算法的比较用常见的调度算法调度当前系统，并计算平均周转周期、平均加权周转时间、平均等待时间用死锁发生的必要条件来分析系统是否会发生死锁，提出解决方案用银行家算法判断系统是否处于安全状态，是否应该同意一个进程的资源申请,3,处理机调度的基本概念及比较 高级调度中级调度低级调度,4,高级调度(High Scheduling),在每次执行作业调度时，都须做出以下两个决定 1)接纳多少个作业 2)接纳哪些作业,5,中级调度,中级调度又称中程调度(Medium-Term Scheduling)。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。为此，应使那些暂时不能运行的进程不再占用宝贵的内存资源，而将它们调至外存上去等待，把此时的进程状态称为就绪驻外存状态或挂起状态。当这些进程重又具备运行条件、且内存又稍有空闲时，由中级调度来决定把外存上的哪些又具备运行条件的就绪进程，重新调入内存，并修改其状态为就绪状态，挂在就绪队列上等待进程调度,6,低级调度(Low Level Scheduling),在采用非抢占调度方式时，可能引起进程调度的因素可归结为这样几个：正在执行的进程执行完毕，或因发生某事件而不能再继续执行；执行中的进程因提出I/O请求而暂停执行；在进程通信或同步过程中执行了某种原语操作，如P操作(wait操作)、Block原语、Wakeup原语等。这种调度方式的优点是实现简单、系统开销小，适用于大多数的批处理系统环境。但它难以满足紧急任务的要求立即执行，因而可能造成难以预料的后果。显然，在要求比较严格的实时系统中，不宜采用这种调度方式。,7,常见的调度算法总结与比较,先来先服务和短作业(进程)优先调度算法最简单的一种调度算法,8,短作业(进程)优先调度算法,SJ(P)F调度算法也存在不容忽视的缺点：(1)该算法对长作业不利，如作业C的周转时间由10增至16，其带权周转时间由2增至3.1。更严重的是，如果有一长作业(进程)进入系统的后备队列(就绪队列)，由于调度程序总是优先调度那些(即使是后进来的)短作业(进程)，将导致长作业(进程)长期不被调度。(2)该算法完全未考虑作业的紧迫程度，因而不能保证紧迫性作业(进程)会被及时处理。(3)由于作业(进程)的长短只是根据用户所提供的估计执行时间而定的，而用户又可能会有意或无意地缩短其作业的估计运行时间，致使该算法不一定能真正做到短作业优先调度。,9,高优先权优先调度算法,10,优先权的变化规律可描述为：,由于等待时间与服务时间之和，就是系统对该作业的响应时间，故该优先权又相当于响应比RP。据此，又可表示为：,高响应比优先调度算法,(1)如果作业的等待时间相同，则要求服务的时间愈短，其优先权愈高，因而该算法有利于短作业(2)当要求服务的时间相同时，作业的优先权决定于其等待时间，等待时间愈长，其优先权愈高，因而它实现的是先来先服务。(3)对于长作业，作业的优先级可以随等待时间的增加而提高，当其等待时间足够长时，其优先级便可升到很高，从而也可获得处理机。,11,1.时间片轮转法在早期的时间片轮转法中，系统将所有的就绪进程按先来先服务的原则，排成一个队列，每次调度时，把CPU分配给队首进程，并令其执行一个时间片。时间片的大小从几ms到几百ms。当执行的时间片用完时，由一个计时器发出时钟中断请求，调度程序便据此信号来停止该进程的执行，并将它送往就绪队列的末尾；然后，再把处理机分配给就绪队列中新的队首进程，同时也让它执行一个时间片。这样就可以保证就绪队列中的所有进程，在一给定的时间内，均能获得一时间片的处理机执行时间。,12,多级反馈队列调度算法 应设置多个就绪队列，并为各个队列赋予不同的优先级。第一个队列的优先级最高，第二个队列次之，其余各队列的优先权逐个降低。该算法赋予各个队列中进程执行时间片的大小也各不相同，在优先权愈高的队列中，为每个进程所规定的执行时间片就愈小。例如，第二个队列的时间片要比第一个队列的时间片长一倍，第i+1个队列的时间片要比第i个队列的时间片长一倍。图 3-5 是多级反馈队列算法的示意。,13,产生死锁的必要条件,互斥条件(2)请求和保持条件(3)不剥夺条件(4)环路等待条件,处理死锁的基本方法,预防死锁。(2)避免死锁。(3)检测死锁。(4)解除死锁。,4.银行家算法之例,假定系统中有五个进程P0,P1,P2,P3,P4和三类资源A,B,C，各种资源的数量分别为10、5、7，在T0时刻的资源分配情况如图 3-15 所示。,图 3-15 T0时刻的资源分配表,(1)T0时刻的安全性：,图 3-16 T0时刻的安全序列,(2)P1请求资源：P1发出请求向量Request1(1，0，2)，系统按银行家算法进行检查：Request1(1,0,2)Need1(1,2,2)Request1(1,0,2)Available1(3,3,2)系统先假定可为P1分配资源，并修改Available,Allocation1和Need1向量，由此形成的资源变化情况如图 3-15 中的圆括号所示。再利用安全性算法检查此时系统是否安全。,图 3-17 P1申请资源时的安全性检查,(3)P4请求资源：P4发出请求向量Request4(3，3，0)，系统按银行家算法进行检查：Request4(3,3,0)Need4(4,3,1);Request4(3,3,0)Available(2,3,0)，让P4等待。(4)P0请求资源：P0发出请求向量Requst0(0，2，0)，系统按银行家算法进行检查：Request0(0,2,0)Need0(7,4,3);Request0(0,2,0)Available(2,3,0);系统暂时先假定可为P0分配资源，并修改有关数据，如图 3-18 所示。,图 3-18 为P0分配资源后的有关资源数据,经典例题解析,【例1】一种既有利于短小作业又兼顾到长作业的作业调度算法是_。【中科院 2004】A先来先服务 B轮转 C最高响应比优先 D均衡调度解析：最高响应比优先是一种既有利于短小作业又兼顾长作业的调度算法。,22,【例2】在操作系统中引入并发可以提高系统效率。若有两个程序A和B，A程序执行时所做的工作按次序需要用CPU：10秒；DEV1：5秒；CPU：5秒；DEV2：10秒；CPU：10秒。B程序执行时所做的工作按次序需要用DEVl：10秒；CPU：10秒；PEV2：5秒；CPU：5秒；DEV2：10秒。如果在顺序环境下执行A、B两个程序，CPU的利用率为；如果在并发环境下执行A，B两个程序，假设A程序先执行，则CPiJ的利用率为【中科院 2006】A30B40C50D60E99%F89G79H69解析：CPU利用率=CPU运转时间程序运行总时间。答案CF,23,【例3】若系统中有5台同类设备，有多个进程均需要使用2台，则至多允许_个进程参与竞争，才不会发生死锁。【上海交大 2007】A1 B2 C3 D4解析：设线程数为x，首先使得一个线程得以满足，其他线程只申请到一个资源，为2+x-15，得4。D,24,第四章 存储器管理,25,重难点导航,内部碎片和外部碎片逻辑地址与物理地址内存分配策略分页的地址变换，页表的使用分页和分段的优缺点虚拟存储器概念页面置换算法和缺页率,26,分页的地址结构,分页地址中的地址结构如下：,31,12,11,0,对某特定机器，其地址结构是一定的。若给定一个逻辑地址空间中的地址为A，页面的大小为L，则页号P和页内地址d可按下式求得：,地址变换机构,1.基本的地址变换机构,图 4-12 分页系统的地址变换机构,具有快表的地址变换机构,图 4-13 具有快表的地址变换机构,两级页表(Two-Level Page Table),逻辑地址结构可描述如下：,图 4-15 具有两级页表的地址变换机构,分段系统的基本原理,分段,分段地址中的地址具有如下结构：,31 16 15 0,图 4-16 利用段表实现地址映射,图 4-17 分段系统的地址变换过程,3.地址变换机构,分页和分段的主要区别,(1)页是信息的物理单位，分页是为实现离散分配方式，以消减内存的外零头，提高内存的利用率。或者说，分页仅仅是由于系统管理的需要而不是用户的需要。段则是信息的逻辑单位，它含有一组其意义相对完整的信息。分段的目的是为了能更好地满足用户的需要。(2)页的大小固定且由系统决定，由系统把逻辑地址划分为页号和页内地址两部分，是由机器硬件实现的，因而在系统中只能有一种大小的页面；而段的长度却不固定，决定于用户所编写的程序，通常由编译程序在对源程序进行编译时，根据信息的性质来划分。(3)分页的作业地址空间是一维的，即单一的线性地址空间，程序员只需利用一个记忆符，即可表示一个地址；而分段的作业地址空间则是二维的，程序员在标识一个地址时，既需给出段名，又需给出段内地址。,段页式存储管理方式,1.基本原理,图 4-20 作业地址空间和地址结构,图 4-21 利用段表和页表实现地址映射,地址变换过程,图 4-22 段页式系统中的地址变换机构,请求分页存储管理方式,请求分页中的硬件支持,页表机制,内存分配策略和分配算法,最小物理块数的确定,是指能保证进程正常运行所需的最小物理块数。当系统为进程分配的物理块数少于此值时，进程将无法运行。进程应获得的最少物理块数与计算机的硬件结构有关，取决于指令的格式、功能和寻址方式。对于某些简单的机器，若是单地址指令且采用直接寻址方式，则所需的最少物理块数为2。其中，一块是用于存放指令的页面，另一块则是用于存放数据的页面。如果该机器允许间接寻址时，则至少要求有三个物理块。对于某些功能较强的机器，其指令长度可能是两个或多于两个字节，因而其指令本身有可能跨两个页面，且源地址和目标地址所涉及的区域也都可能跨两个页面。,页面置换算法,最佳置换算法和先进先出置换算法,1.最佳(Optimal)置换算法 最佳置换算法是由Belady于1966年提出的一种理论上的算法。其所选择的被淘汰页面，将是以后永不使用的，或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。采用最佳置换算法，通常可保证获得最低的缺页率。,假定系统为某进程分配了三个物理块，并考虑有以下的页面号引用串：7，0，1，2，0，3，0，4，2，3，0，3，2，1，2，0，1，7，0，1 进程运行时，先将7，0，1三个页面装入内存。以后，当进程要访问页面2时，将会产生缺页中断。此时OS根据最佳置换算法，将选择页面7予以淘汰。,图 4-25 利用最佳页面置换算法时的置换图,2.先进先出(FIFO)页面置换算法,图 4-26 利用FIFO置换算法时的置换图,最近最久未使用(LRU)置换算法,1.LRU(Least Recently Used)置换算法的描述,图 4-27 LRU页面置换算法,经典例题分析,【例1】不会产生内部碎片的存储管理系统是()【电子科大 2008】A分页式存储管理系统 B可变式存储管理系统C固定分区式存储管理系统 D段页式存储管理系统解析：本题考查操作系统中的内存管理方案的不同之后，其中页式内存管理以及固定分区管理会产生内存碎片。而段页式管理也是应用了页式管理方案，同样也会产生业内碎片。答案选择B,45,【例2】为使虚存系统有效地发挥其预期的作用，所运行的程序应具有的特性是_。A.该程序不应含有过多的IO操作 B该程序的大小不应超过实际的内存容量 C.该程序应具有较好的局部性 D该程序的指令相关不应过多解析：本题考查虚拟存储器引人的初衷。引入虚拟存储器的原因是因为程序的局部性原理。即一个程序运行完了之后，还有可能马上继续运行，为了防止频繁的调入调出内存，降低效率，所以才引入了虚拟存储器。C,46,【例3】已知系统为32位实地址，采用48位虚拟地址，页面大小为4 KB，页表项大小为8个字节，每段最大为4 GB。【清华大学 2008】1系统将采用多少级页表?页内偏移多少位?解析：逻辑地址空间中的页面数为248/4 KB=236，而实地址空间中的页面数为232/4 KB=1 M，所以要采用多级页表，236/1 MB=216，故可以分成两级页表。第一级页表中存放216个页表项，第二级页表中存放220个页表项，正好可以表示逻辑地址空间中的所有页面的映射关系。由于页面的大小为4 KB，故页内偏移采用12位。逻辑地址描述如下图：,47,2假设系统采用一级页表，TLB命中率为98，TLB访问时间为10 ns，内存访问时间为100 ns，并假设当TLB访问失败时才开始访问内存，问平均页面访问时间是多少?解析：采用一级页表时：平均页面访问时间=98%10+（1-98%）100=11.8 ns3如果是二级页表，页面平均访问时间是多少?采用二级页表时：平均页面访问时间=98%10+(1-98%)98%10+(1-98%)100=10.036 ns4每用户最多可以有多少个段?段内采用几级页表?每个段的大小为4 GB，而逻辑空间大小为248，则系统可分成248/4 GB=216个分段。每个分段中的页面数量为4 GB/4 KB=1 MB，可以转化为32位实地址空间中的页面号，故采用一级页表就可以了，此时的逻辑地址可用下图表示：,48,5.如果要满足访问时间120 ns，那么命中率至少需要多少?仍旧采用题中的假设：TLB访问时间为10 ns，内存访问时间为100 ns，并假设当TLB访问失败时才开始访问内存，这时设命中率为h，则平均访存时间为t=h10+(1-h)h10+(1-h)100。要使得访存时间120 ns，则要求t120，此时得到：t0.118(另一个根舍掉)故命中率需要至少为0.118。,49,