第五章-操作系统的资源管理-概述分析课件

湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳第五章第五章 操作系统的资源管理操作系统的资源管理5.1 5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略5.2 死锁及其解决方法5.3 处理机管理5.4 主存管理5.5 设备管理5.6 文件系统第五章第五章 操作系操作系统统的的资资源管理源管理5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳5.1 5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源管理概述资源管理概述资源分配机制资源分配策略5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源管理概述源管理概述5.1 资资源管理的机源管理的机湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳5.1 5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源管理概述资源管理概述资源分配机制资源分配策略5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源管理概述源管理概述5.1 资资源管理的机源管理的机湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳一、资源管理的目的和任务资源管理的目的和任务保证资源的高利用率；在“合理”时间内使所有顾客有获得所需资源的机会；对不可共享的资源实施互斥使用；防止由资源分配不当而引起的死锁。5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源管理概述资源管理概述一、一、资资源管理的目的和任源管理的目的和任务务5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源源湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳一、资源管理的目的和任务一、资源管理的目的和任务对资源的管理应包括以下几个方面：对资源的管理应包括以下几个方面：资源数据结构的描述资源数据结构的描述包含资源的物理名、逻辑名、类型、地址、分配状态等信息，以及对该资源的存取权限、密级、最后一次存取时间、记账信息及该类资源使用的特性等。确定资源的分配原则确定资源的分配原则 (调度原则调度原则)决定资源应分给谁，何时分配，分配多少等问题。执行资源分配执行资源分配执行资源分配、资源收回工作。存取控制和安全保护存取控制和安全保护 对资源的存取进行控制并对资源实施安全保护措施（在文件系统或信息管理中最为突出）。5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源管理概述资源管理概述一、一、资资源管理的目的和任源管理的目的和任务务5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源源湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳二、资源的分类方法二、资源的分类方法根据不同的标准，对资源可以进行以下分类：物理资源和程序资源物理资源和程序资源物理资源物理资源是指计算机系统中的各种硬件资源，如CPU、主存、各种外部设备等；程序资源程序资源是指即计算机系统中的各种软件资源，如消息、程序等。单一访问入口的资源和多访问入口的资源单一访问入口的资源和多访问入口的资源单一访问入口的资源单一访问入口的资源是指任意时刻最多只能被一个用户访问的资源，如打印机、磁带机等；多访问入口的资源多访问入口的资源是指可以被多个用户同时访问的资源，如磁盘、被允许读出的公用文件等。5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源管理概述资源管理概述二、二、资资源的分源的分类类方法方法5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源管理概源管理概湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳二、资源的分类方法二、资源的分类方法根据不同的标准，对资源可以进行以下分类：等同资源等同资源对某类资源，可能有多个完全相同的设备，在某些条件下，在这些设备之间到底选用哪些设备，用户并无要求。在这种情况下，这些设备被说成是等同的等同的。虚拟资源虚拟资源虚拟资源虚拟资源是用户使用的逻辑资源，是操作系统将物理资源改造后，呈献给用户的可供使用的资源。目的：目的：方便用户使用；资源可动态分配，提高资源利用率 5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源管理概述资源管理概述二、二、资资源的分源的分类类方法方法5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源管理概源管理概湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳5.1 5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源管理概述资源分配机制资源分配机制资源分配策略5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源管理概述源管理概述5.1 资资源管理的机源管理的机湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳机机制制指的是进行资源分配所必需的基础设施和部件。包括：包括：1.描述资源状态的数据结构数据结构：如资源信息块资源信息块（描述各类资源）、资源描述器资源描述器（描述各类资源中最小分配单位）；2.保证不可共享资源互斥使用的同步机构同步机构；3.对不能立即得到满足的资源请求进入排队的各种资源资源队列的结构队列的结构。5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配机制资源分配机制机制指的是机制指的是进进行行资资源分配所必需的基源分配所必需的基础设础设施和部件。施和部件。5.1 资资源管源管湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳资源描述器资源描述器资源描述器资源描述器描述各类资源的最小分配单位的数据结构称为资源描述器资源描述器 rd(resource descriptor)rd(resource descriptor)。如：主存以主存块为单位进行分配；磁盘以扇区为最小分配单位；文件系统以文件为最小分配单位。资源描述器包含内容包含内容：资源名、资源类型、最小分配单位的大小、地址、分配标志、描述器链接信息、存取权限、密级、存取时间 20KB 0 52KB66KB130KB230KB256KB 1主存主存作业作业4作业作业1作业作业3OS5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配机制资源分配机制注：注：对于各类资源，若它具有若干个（n个）资源分配单位，则有n个资源描述器。资资源描述器源描述器20KB 0 52KB66KB130湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳资源信息块资源信息块描述某类资源的请求者、可用资源和该类资源分配程序的地址的数据结构成为资源信息块资源信息块rib(resource information rib(resource information block)block)。资源信息块内容资源信息块内容 请求者队列请求者队列可利用资源队列可利用资源队列资源分配程序资源分配程序资源等待队列头指针资源等待队列头指针可利用资源队列头指针可利用资源队列头指针资源分配程序入口地址资源分配程序入口地址5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配机制资源分配机制资源分配程序资源分配程序包括分配程序分配程序和回收程序回收程序两部分。当进程请求当进程请求资源时资源时，控制转到相应的资源分配程序，检索可利用资源队列，若有可利用的资源，则予以分配；否则将此进程加入到等待资源队列中。当进程释放资源时当进程释放资源时，控制转到回收程序，将释放的资源加入到可利用资源的队列中，然后试着释放等待该资源的进程。资资源信息源信息块请块请求者求者队队列可利用列可利用资资源源队队列列资资源分配程序源分配程序资资源等待源等待队队列列头头湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳资源信息块例资源信息块例资源信息块例资源信息块例中央处理机资源信息块内容中央处理机资源信息块内容 pcb1pcb2pcbk进程调度程序进程调度程序ready-q-start可用处理机信息可用处理机信息scheduler-addrcpu5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配机制资源分配机制资资源信息源信息块块例例中央中央处处理机理机资资源信息源信息块块内容内容 湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳5.1 5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源管理概述资源分配机制资源分配策略资源分配策略5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源管理概述源管理概述5.1 资资源管理的机源管理的机湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳资源分配有两种方式：静态分配和动态分配资源的静态分配资源的静态分配系统对作业一级分配采用方式 系统在调度作业时，根据作业所需资源进行分配；并在作业运行完毕时，收回所分配的全部资源。这种分配通常称为资源的静态分配。资源的动态分配资源的动态分配系统对进程一级分配采用方式 系统在进程运行中，根据进程提出的资源需求，进行资源的动态分配和回收。这种分配通常称为资源的动态分配。5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略效率低效率低效率高，易死锁效率高，易死锁资资源分配有两种方式：静源分配有两种方式：静态态分配和分配和动态动态分配分配5.1 资资源管理的机制源管理的机制湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳常用的资源分配策略常用的资源分配策略常用的资源分配策略常用的资源分配策略（1 1）先请求先服务（FIFO）（2）优先调度（3）针对设备特性的调度5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略常用的常用的资资源分配策略源分配策略5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源分配策源分配策湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳（1 1）先请求先服务）先请求先服务FIFOFIFO每一个新产生的请求均排在队尾；当资源可用时，取队首元素，并满足其需要。排序原则：排序原则：按请求的先后次序排序。表头表头按请求的先后次序按请求的先后次序先先后后按自然顺序排列的队列按自然顺序排列的队列5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略优点：点：算法简单，易于实现。缺点：缺点：不够灵活。可用于可用于：进程或作业调度，及外设、内存的分配。（1）先）先请请求先服求先服务务FIFO 表表头头按按请请求的先后次序先后按自求的先后次序先后按自湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳（2 2）优先调度）优先调度对每一个进程指定一个优先级；每一个新产生的请求，按其优先级的高低插到相应的位置；当资源可用时，取队首元素，并满足其需要。排序原则：排序原则：按优先级的高低排序。表头表头按按优先级的高低排序按按优先级的高低排序高高低低按优先级高低排列的就绪队列按优先级高低排列的就绪队列5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略优点：点：灵活缺点：缺点：算法较复杂（2）优优先先调调度度 表表头头按按按按优优先先级级的高低排序高低按的高低排序高低按优优先先级级高低高低湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳（3 3）针对设备特性的调度策略）针对设备特性的调度策略主要讨论对磁盘的调度主要讨论对磁盘的调度磁盘空间是一个三维空间，磁盘上的每个盘区均由柱面号（亦称磁道号）、盘面号（亦称磁头号）、扇区号三部分组成。5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略（3）针对设备针对设备特性的特性的调调度策略度策略5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳磁盘访问的时间由下述3个时间组成：（1 1）寻道时间寻道时间磁头从当前位置移到所需柱面花费的时间。（2 2）旋转等待时间）旋转等待时间欲访问的扇区旋转到磁头下所花费的时间。（3 3）读写时间）读写时间读写当前扇区数据所花费的时间。5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略磁磁盘访问盘访问的的时间时间由下述由下述3个个5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略资资源源湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳调度的目标调度的目标 当有大量I/O请求时，降低完成这些I/O服务的总时间。例：例：对磁盘访问有如下5个请求（若当前移动臂处于1号柱面）。柱面号 盘面号 块号 5 2 1 5 3 8 5 3 5 40 6 3 2 7 75.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略调调度的目度的目标标例：例：对对磁磁盘访问盘访问有如下有如下5个个请请求（若当前移求（若当前移动动臂臂处处于于1号号湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳移臂调度移臂调度总是选取与当前移动臂前进方向上最近的那个I/O请求，使移臂距离最短。上例：上例：对磁盘访问的5个请求应作如下调度柱面号柱面号 盘面号盘面号 块号块号 2 7 7 5 2 1 5 3 8 5 3 5 40 6 3 5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略移臂移臂调调度上例：度上例：对对磁磁盘访问盘访问的的5个个请请求求应应作如下作如下调调度柱面号度柱面号 湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳旋转调度旋转调度总是选取与当前读写头最近的那个I/O请求，使旋转圈数最少。上例：上例：对磁盘访问的5个请求应作如下调度柱面号柱面号 盘面号盘面号 块号块号 2 7 7 5 2 1 5 3 5 5 3 8 40 6 3 5.1 资源管理的机制与策略资源管理的机制与策略资源分配策略资源分配策略旋旋转调转调度上例：度上例：对对磁磁盘访问盘访问的的5个个请请求求应应作如下作如下调调度柱面号度柱面号 湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳第五章第五章 操作系统的资源管理操作系统的资源管理5.1 资源管理的机制与策略5.2 5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法5.3 处理机管理5.4 主存管理5.5 设备管理5.6 文件系统第五章第五章 操作系操作系统统的的资资源管理源管理5.1 资资源管理的机制与策略源管理的机制与策略湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳15 例例 设备共享设备共享设备共享设备共享 进程进程 p1、p2共享一台打印机和一台输入机共享一台打印机和一台输入机 时刻时刻 t1：进程：进程 p1 占用打印机，占用打印机，进程进程 p2 占用输入机；占用输入机；时刻时刻 t2：进程：进程 p1 又请求又请求输入机，输入机，进程进程 p2 又请求打印机。又请求打印机。一、死锁的概念一、死锁的概念5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法15例例设备设备共享一、死共享一、死锁锁的概念的概念5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳15用信号灯的用信号灯的P P、V V操作描述死锁操作描述死锁 例例 设进程p1与进程p2共享一台打印机(r1)和一台输入机(r2)，用信号灯的p、v操作表示资源的申请和释放。信号灯设置信号灯设置 s1：表示r1可用，初值为1 s2：表示r2可用，初值为1讨论两种资源请求序列，哪种情况可能产生互相死等的局面。5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法15用信号灯的用信号灯的P、V操作描述死操作描述死锁锁5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳17 进程进程p1 进程进程p2 进程进程p1 进程进程p2 p(s1)；p(s2)；p(s1)；p(s2)；占用占用r1 占用占用r2 占用占用r1 占用占用r2 v(s1)；v(s2)；p(s2)；p(s1)；又占用又占用r2 又又占用占用r1 p(s2)；p(s1)；占用占用r2 占用占用r1 v(s1)；v(s2)；v(s2)；v(s1)；v(s2)；v(s1)；5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法175.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳18死锁的定义死锁的定义死锁的定义死锁的定义在两个或多个并发进程中，如果每个进程持有某种资源而又都等待着别的进程释放它或它们现在保持着的资源，否则就不能向前推进。此时，称这一组进程产生了死锁死锁。二、二、死锁的起因和条件死锁的起因和条件引起死锁的原因引起死锁的原因引起死锁的原因引起死锁的原因系统资源不足进程推进顺序非法5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法18死死锁锁的定的定义义二、二、死死锁锁的起因和条件引起死的起因和条件引起死锁锁的原因的原因5.2 死死湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳19死锁图解死锁图解死锁图解死锁图解5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法19死死锁图锁图解解5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳19用资源进程有向图描述死锁用资源进程有向图描述死锁用资源进程有向图描述死锁用资源进程有向图描述死锁5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法P表示进程进程，R表示资源资源。P到R的有向边表示资源请求资源请求边边；R到P的有向边表示资源资源分配边分配边。只要该有向图中有环就说明这一组进程发生了死锁。只要该有向图中有环就说明这一组进程发生了死锁。19用用资资源源进进程有向程有向图图描述死描述死锁锁5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法P表示表示湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳20互斥条件互斥条件涉及的资源是非共享的，即为临界资源。不剥夺条件不剥夺条件进程所获得的资源在未使用完毕之前，不能被其他进程强行夺走。部分分配部分分配进程每次申请它所需要的一部分资源。在等待一新资源的同时，进程继续占用已分配到的资源。环路条件环路条件存在一个等待进程集合p0,p1,pn，p0在等待p1占有的资源，p1等待一个p2占有的资源，pn正在等待p0占有的一个资源。由这些进程及请求(分配)的资源构成了一个”进程资源”有向循环图。产生死锁的必要条件产生死锁的必要条件产生死锁的必要条件产生死锁的必要条件5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法20互斥条件互斥条件涉及的涉及的资资源是非共享的，即源是非共享的，即为临为临界界资资源。源。产产生死生死锁锁湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳22三、系统状态分析三、系统状态分析初始状态描述初始状态描述假定一个系统包括n个进程和m类资源，表示如下：一组确定的进程集合，记作：p=p1,p2,pi,pn一组不同类型的资源集合，记作：r=r1,r2,ri,rm矢量w说明各类可利用资源的总的数目w=w1,w2,wi,wm5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法22三、系三、系统统状状态态分析初始状分析初始状态态描述描述5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳22资源请求矩阵资源请求矩阵在时刻t资源请求矩阵，表示如下：dij表示进程pi还需要j类资源的数目。5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法d(t)=d11,d12,d1md21,d22,d2m dn1,dn2,dnm22资资源源请请求矩求矩阵阵5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法d(t)=d11湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳22资源分配矩阵资源分配矩阵在时刻t资源分配矩阵，表示如下：aij表示进程pi已占有j类资源的数目。5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法a(t)=a11,a12,a1ma21,a22,a2m an1,an2,anm什么情况下系统安全？什么情况下系统安全？当进程请求某类资源的时候，进程对该类资源的需求量小进程对该类资源的需求量小于当前时刻系统所拥有的该类资源的数目于当前时刻系统所拥有的该类资源的数目，那么满足进程的这次请求，系统是安全的。22资资源分配矩源分配矩阵阵5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法a(t)=a11湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳22四、解决死锁问题的策略四、解决死锁问题的策略解决死锁的策略解决死锁的策略采用静态资源分配方法预防死锁预防死锁采用资源动态分配、有控分配方法避免死锁避免死锁死锁的检测与修复如撤消或挂起一些进程（代价高）（代价高）忽略死锁重启系统5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法22四、解决死四、解决死锁问题锁问题的策略解决死的策略解决死锁锁的策略的策略5.2 死死锁锁及其解决及其解决湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳23五、死锁的预防五、死锁的预防静态预防死锁的方法静态预防死锁的方法在作业调度时为选中的作业分配它所需要的所有资源，当资源一旦分配给该作业后，在其整个运行期间这些资源为它独占。缺点：缺点：降低了对资源的利用率，降低进程的并发程度；有可能无法预先知道所需资源。5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法（破坏部分分配条件）（破坏部分分配条件）23五、死五、死锁锁的的预预防静防静态预态预防死防死锁锁的方法的方法5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳23动态预防死锁的方法动态预防死锁的方法有序资源分配法有序资源分配法系统中所有资源都给定一个唯一的编号，所有分配请求必须以上升的次序进行，保证不形成环路。当遵守上升次序的规则时，若资源可用，则予以分配；否则，请求者等待。缺点：缺点：限制进程对资源的请求；资源的排序占用系统开销。5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法五、死锁的预防五、死锁的预防（破坏环路条件）（破坏环路条件）23动态预动态预防死防死锁锁的方法的方法5.2 死死锁锁及其解决方法五、死及其解决方法五、死锁锁的的预预防防湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳24银行家算法银行家算法申请者事先说明对各类资源的最大需求量。在进程活动期间动态申请某类资源时，由系统审查系统现有该类资源的数目是否能满足当前进程的最大需求量，如能满足就予以分配，否则拒绝。例：例：系统拥有某类资源10个，现有进程P、Q、R共享该类资源，它们申请该类资源的最大需求量如下。问题：问题：当这些进程动态申请资源时，按银行家算法应如何分配，能保证不发生死锁。5.2 死锁及其解决方法死锁及其解决方法进程进程 最大需求量最大需求量 已占有资源已占有资源 P 8 4 Q 4 2 R 9 2现申请资源个数现申请资源个数 1 1 124银银行家算法行家算法5.2 死死锁锁及其解决方法及其解决方法进进程程 最大需求量最大需求量湖北工业大学理学院杨晓艳湖北工业大学理学院杨晓艳26资源管理功能资源管理功能资源管理功能资源管理功能 资源分配策略资源分配策略资源分配策略资源分配策略先请求先服务 优先调度 针对设备特性的调度死锁死锁死锁死锁定义、举例引起死锁的原因产生死锁的必要条件死锁预防死锁避免有序资源分配方法银行家算法操作系统的资源管理操作系统的资源管理 小结小结 26资资源管理功能源管理功能 操作系操作系统统的的资资源管理源管理 小小结结