多处理机的任务分配和进程调度

操作系统的多任务处理操作系统是计算机硬件与应用程序之间的关系管理者，它负责调度和管理计算机资源，为应用程序提供必要的支持和服务。

而多任务处理作为操作系统的一个重要特性，在提高计算机效率和资源利用率方面具有重要作用。

本文将探讨操作系统的多任务处理机制及其应用。

一、多任务处理概述多任务处理是指操作系统能够同时执行多个任务，使得用户感觉像是多个任务在同时进行。

它分为并行处理和时间片轮转两种方式。

1. 并行处理并行处理是指在多处理器或多核处理器系统中，多个任务能够同时执行。

每个处理器或核心负责一个任务，通过并行计算、并发执行提高了整个系统的计算速度和效率。

2. 时间片轮转时间片轮转是指操作系统按照时间片（一小段时间）轮流分配给各个任务，使得多个任务可以交替执行。

每个任务在一个时间片内执行一段时间，然后让出CPU资源给其他任务，通过快速切换任务的方式，让用户感觉多个任务在同时进行。

二、多任务处理的实现机制为了实现多任务处理，操作系统需要具备以下几个重要的机制：1. 进程管理进程管理是指操作系统对进程的创建、调度、状态转换和销毁等操作。

操作系统为每个任务分配一个独立的进程，并利用进程调度算法按照一定的优先级和策略进行调度，确保每个任务都能够得到公平的执行机会。

2. 任务切换多任务处理需要操作系统具备快速任务切换的能力，以实现任务间的流畅转换。

当一个任务的时间片用尽或发生阻塞时，操作系统会迅速切换到下一个任务，保证多个任务都能够得到执行。

3. 资源分配操作系统需要合理地分配和管理CPU、内存、外设等计算机资源，以满足多个任务对资源的需求。

通过资源分配策略，操作系统能够为每个任务提供所需的资源，并确保资源的公平分配和高效利用。

三、多任务处理的应用多任务处理在操作系统中广泛应用于各种场景，提供了更加灵活和高效的计算环境。

1. 多用户环境在多用户环境下，多任务处理允许多个用户同时进行各自的操作和任务。

每个用户可以独立地运行自己的应用程序，而不会干扰其他用户的操作。

1、处理机管理有哪些主要功能？它们的主要任务是什么？答：处理机管理的主要功能是：进程管理、进程同步、进程通信和处理机调度；进程管理：为作业创建进程，撤销已结束进程，控制进程在运行过程中的状态转换。

进程同步：为多个进程（含线程）的运行进行协调。

通信：用来实现在相互合作的进程之间的信息交换。

处理机调度：（1）作业调度。

从后备队里按照一定的算法，选出若干个作业，为他们分配运行所需的资源（首选是分配内存）。

（2）进程调度：从进程的就绪队列中，按照一定算法选出一个进程，把处理机分配给它，并设置运行现场，使进程投入执行。

2、前趋图是一个有向无循环图，记为DAG，用于描述进程之间执行的前后关系。

3、试说明PCB 的作用，为什么说PCB 是进程存在的惟一标志？PCB 是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。

作用是使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序，成为一个能独立运行的基本单位，成为能与其它进程并发执行的进程。

OS是根据PCB对并发执行的进程进行控制和管理4、试说明进程在三个基本状态之间转换的典型原因1）就绪状态→执行状态：进程分配到CPU资源2）执行状态→就绪状态：时间片用完3）执行状态→阻塞状态：I/O请求4）阻塞状态→就绪状态：I/O完5、为什么要在OS 中引入线程？在操作系统中引入线程，则是为了减少程序在并发执行时所付出的时空开销，使OS具有更好的并发性，提高CPU的利用率。

进程是分配资源的基本单位,而线程则是系统调度的基本单位。

6、试说明线程具有哪些属性1)轻型实体2）独立调度和分派的基本单位3）可并发执行4）共享进程资7、试从调度性，并发性，拥有资源及系统开销方面对进程和线程进行比较1）调度性。

线程在OS 中作为调度和分派的基本单位，进程只作为资源拥有的基本单位。

2）并发性。

进程可以并发执行，一个进程的多个线程也可并发执行。

3）拥有资源。

进程始终是拥有资源的基本单位，线程只拥有运行时必不可少的资源，本身基本不拥有系统资源，但可以访问隶属进程的资源。

第七章课后题1.多处理机在结构、程序并行性、算法、进程同步、资源分配和调试上与并行处理机有什么差别？答：多处理机与并行处理机的主要差别是并行性的等级不同。

（1）结构灵活性。

多处理机制结构灵活性高于并行处理机。

（2）程序并行性。

多处理是指令、任务、作业并行，并行性的识别较难;并行处理机是操作级并行，并行性的识别较易。

（3）并行任务派生。

并行处理机工作能否并行工作由指令决定，多处理机必须有专门指令指明程序能否并行执行，派生的任务数是动态变化的。

（4）进程同步。

并行处理机的进程同步是自然的，而多处理机必须采取同步措施。

（5）资源分配和任务调度。

多处理机的资源分配和任务调度比并行处理机复杂得多。

2.多处理机有哪些基本特点？发展这种系统的主要目的可能有哪些？多处理着重解决哪些技术问题？答：○多处理机的基本特点：多处理机具有两台以上的处理机,在操作系统控制下通过共享的主存或输入/输出子系统或高速通讯网络进行通讯.结构上多个处理机用多个指令部件分别控制,通过机间互连网络通讯;算法上不只限于处理向量数组,还要实现更多通用算法中的并行;系统管理上要更多地依靠软件手段,有效解决资源分配和管理,特别是任务分配,处理机调度,进程的同步和通讯等问题.○使用多处理机的目的:一是用多台处理进行多任务处理协同求解一个大而复杂的问题来提高速度,二是依靠冗余的处理机及其重组来提高系统的可靠性,适应性和可用性.○多处理着重要解决的技术问题:（1）硬件结构上，如何解决好处理机、存储器模块及I/O子系统间的互连。

（2）如何最大限度开发系统的并行性，以实现多处理要各级的全面并行。

（3）如何选择任务和子任务的大小，即任务的粒度，使并行度高，辅助开销小。

（4）如何协调好多处理机中各并行执行任务和进程间的同步问题。

（5）如何将任务分配到多处理机上，解决好处理机调度、任务调度、任务调度和资源分配，防止死锁。

（6）一旦某个处理发生故障，如何对系统进行重新组织，而不使其瘫痪。

处理机调度算法流程一、引言处理机调度算法是操作系统中的关键部分，它决定了处理机如何分配给不同的进程以实现高效的任务执行。

本文将介绍处理机调度算法的流程，包括先来先服务调度算法、短作业优先调度算法、优先级调度算法和时间片轮转调度算法。

二、先来先服务调度算法先来先服务调度算法是最简单的调度算法之一。

当一个进程请求处理机时，先到达的进程将被先分配处理机，直到该进程执行完毕或主动释放处理机。

先来先服务调度算法的流程如下：1. 将所有进程按照到达时间的先后顺序排列。

2. 选择等待队列中的第一个进程，将处理机分配给它。

3. 当该进程执行完毕或主动释放处理机后，选择等待队列中的下一个进程，重复第2步。

4. 重复以上步骤，直到所有进程执行完毕。

三、短作业优先调度算法短作业优先调度算法是根据进程的执行时间来决定处理机分配的优先级，执行时间短的进程优先级高。

短作业优先调度算法的流程如下：1. 将所有进程按照执行时间的长短进行排序。

2. 选择执行时间最短的进程，将处理机分配给它。

3. 当该进程执行完毕或主动释放处理机后，选择执行时间次短的进程，重复第2步。

4. 重复以上步骤，直到所有进程执行完毕。

四、优先级调度算法优先级调度算法是根据进程的优先级来决定处理机分配的顺序，优先级高的进程优先级高。

优先级调度算法的流程如下：1. 将所有进程按照优先级的高低进行排序。

2. 选择优先级最高的进程，将处理机分配给它。

3. 当该进程执行完毕或主动释放处理机后，选择优先级次高的进程，重复第2步。

4. 重复以上步骤，直到所有进程执行完毕。

五、时间片轮转调度算法时间片轮转调度算法是一种公平的调度算法，它将处理机分配给每个进程一个固定的时间片，当时间片用完后，将处理机分配给下一个进程。

时间片轮转调度算法的流程如下：1. 将所有进程按照到达时间的先后顺序排列。

2. 选择等待队列中的第一个进程，将处理机分配给它，并设置一个固定的时间片。

3. 当时间片用完后，将处理机分配给等待队列中的下一个进程，重复第2步。

第四章处理机调度与死锁4.1 知识点汇总1、处理机调度级别⑴调度：选出待分派的作业或进程⑵处理机调度：分配处理机⑶三级调度：高级调度（作业调度）、中级调度（内存对换）、低级调度（进程调度）2、作业状态⑴作业状态分为四种：提交、后备、执行和完成。

⑵作业状态变迁图：图4-1 作业状态及变迁3、作业调度和调度的功能⑴. 作业调度的任务后备状态→执行状态执行状态→完成状态⑵作业调度的功能①记录系统中各个作业的情况②按照某种调度算法从后备作业队列中挑选作业③为选中的作业分配内存和外设等资源④为选中的作业建立相应的进程⑤作业结束后进行善后处理工作4、进程调度和调度的功能1）. 进程调度：后备状态→执行状态2）. 进程调度时机：任务完成后、等待资源时、运行到时了、发现重调标志3）. 进程调度的功能：保存现场、挑选进程、恢复现场5、两级调度模型 作业调度和进程调度的区别6、评价调度算法的指标调度性能评价准则：CPU利用率、吞吐量、周转时间、就绪等待时间和响应时间（1）吞吐量：单位时间内CPU完成作业的数量（2）周转时间：1) 周转时间=完成时刻－提交时刻2) 平均周转时间=周转时间／n3) 带权周转时间=周转时间／实际运行时间4) 平均带权周转时间=带权周转时间／n7、作业与进程调度算法（1）先来先服务（FCFS）调度算法的实现思想：按作业（进程）到来的先后次序进行调度，即先来的先得到运行。

用于作业调度：从作业对列（按时间先后为序）中选择队头的一个或几个作业运行。

用于进程调度：从就绪队列中选择一个最先进入该队列的进程投入运行。

例如设有三个作业，编号为1，2，3。

各作业分别对应一个进程。

各作业依次到达，相差一个时间单位。

①图示出采用FCFS方式调度时这三个作业的执行顺序②算出各作业的周转时间和带权周转时间（2）时间片轮转（RR）调度算法的实现思想：系统把所有就绪进程按先进先出的原则排成一个队列。

新来的进程加到就绪队列末尾。

处理机调度的层次⼀个作业从提交开始直到完成，往往经历以下三个调度：⼀、作业调度作业调度⼜称⾼级调度，主要任务是按照⼀定的原则从外存上处于后备队列的作业中挑选⼀个或者多个作业，为其分配内存、I/O设备等必要资源，并建⽴相应的进程，使它们获得竞争处理机的权利。

简要地说就是内存与外存的调度，对于每个作业仅调⼊⼀次、调出⼀次。

多道批处理系统中⼤多配有作业调度，⽽其他系统中通常不需要配置作业调度，作业调度的执⾏频率较低且时间较长，通常为⼏分钟⼀次。

⼆、内存调度内存调度⼜称中级调度，引⼊中级调度的⽬的是为了提⾼内存利⽤率和系统吞吐量。

内存调度将那些暂时不能运⾏的进程调⾄外存等待，把此时的进程状态称为挂起状态。

当处于挂起状态的进程能够运⾏且内存有空闲时，将其重新调⼊内存并修改状态为就绪状态，挂在就绪队列上等待。

三、进程调度进程调度⼜称低级调度，主要任务是按照某种⽅法和策略从就绪队列中选取⼀个进程，将处理机分配给它。

进程调度是操作系统中最基本的⼀种调度，执⾏频率很⾼且时间较短，⼀般⼏⼗毫秒⼀次。

四、三级调度的联系1、作业调度为进程活动做准备，进程调度使进程正常活动起来，内存调度将暂时不能运⾏的进程挂起，内存调度处于作业调度和进程调度之间；2、作业调度次数最少，内存调度次数略多，进程调度频率最⾼；3、进程调度是最基本的，不可或缺。

对以下2个例⼦进⾏分析：1、有⼀个具有两道作业的批处理系统，作业调度采⽤短作业优先调度算法，进程调度采⽤抢占式优先级调度算法。

作业的运⾏情况见下表，其中作业的优先数为进程的优先数，优先数越⼩，优先级越⾼。

作业名到达时间运⾏时间优先数18:0040min528:2030min338:3050min448:5020min68:00时，作业1到达，此时内存和处理机空闲，作业1进⼊内存并占⽤处理机；8:20时，作业2到达，此时内存仍有1个位置空闲，处理机被占⽤，作业2进⼊内存，由于进程调度采⽤抢占式优先级调度，故作业2相应进程抢占处理机；8:30时，作业3到达，但此时内存已⽆空位，故等待；8:50时，作业2执⾏完成并空出⼀道内存空间并让出处理机，作业3和作业4竞争该道内存空间，由于作业4的运⾏时间短，故先调⼊内存，此时作业1相应进程优先级⽐作业4相应进程优先级⾼，故先执⾏作业1的相应进程；9:10时，作业1执⾏完成并空出⼀道内存空间并让出处理机，将作业3调⼊内存，由于作业3相应进程优先级⽐作业4相应进程优先级⾼，故先执⾏作业3的相应进程；10:00时，作业3执⾏完成并让出处理机，执⾏作业4相应进程，10：20时作业4执⾏完毕。

简述处理机调度层次
处理机调度层次是计算机操作系统中的一个重要概念，它是指在多道程序环境下，为了提高计算机资源的利用率和系统的吞吐量，将进程按照一定的优先级和调度算法分配给不同的处理机运行的过程。

处理机调度层次主要包括作业调度、进程调度和线程调度三个层次。

一、作业调度
作业调度是指在多用户环境下，根据用户提交的作业特性、系统资源情况以及系统策略等因素，将作业按照一定规则分配给不同的处理机或分时段地执行。

常见的作业调度算法有先来先服务、短作业优先、时间片轮转等。

二、进程调度
进程调度是指在单个用户环境下，根据进程特性、系统资源情况以及系统策略等因素，将就绪状态中的进程按照一定规则分配给可用处理机执行。

常见的进程调度算法有最高响应比优先、时间片轮转、多级反馈队列等。

三、线程调度
线程调度是指在单个进程内部，根据线程特性以及线程之间关系等因素，将就绪状态中的线程按照一定规则分配给可用处理机执行。

常见的线程调度算法有抢占式调度、非抢占式调度等。

处理机调度层次的目的是为了提高系统资源利用率和系统吞吐量，同时保证进程或线程按照一定规则得到公平、合理的分配和执行。

在实际应用中，不同的调度算法和策略有着不同的优缺点，需要根据具体应用场景进行选择和优化。