操作系统PV操作的作业参考答案.doc

关于调度算法 【例1】下表给出作业l，2，3的提交时间和运行时间。采用先来先服务调度算法和短作业优先调度算法，试问作业调度次序和平均周转时间各为多少？（时间单位：小时，以十进制进行计算。）作业号 提交时间 运行时间 1 2 3 0.0 0.4 1.0 8.0 4.0 1.0 分析解这样的题关键是要根据系统采用的调度算法，弄清系统中各道作业随时间的推进情况。我们用一个作业执行时间图来形象地表示作业的执行情况，帮助我们理解此题。 采用先来先服务调度算法，是按照作业提交的先后次序挑选作业，先进入的作业优先被挑选。然后按照“排队买票”的办法，依次选择作业。其作业执行时间图如下：采用短作业优先调度算法，作业调度时根据作业的运行时间，优先选择计算时间短且资源能得满足的作业。其作业执行时间图如下：由于作业1，2，3是依次到来的，所以当开始时系统中只有作业1，于是作业1先被选中。在8.0时刻，作业1运行完成，这时系统中有两道作业在等待调度，作业2和作业3，按照短作业优先调度算法，作业3只要运行1个时间单位，而作业2要运行4个时间单位，于是作业3被优先选中，所以作业3先运行。待作业3运行完毕，最后运行作业2。作业调度的次序是1，3，2。另外，要记住以下公式：作业i的周转时间Ti作业完成时间作业提交时间 系统中个作业的平均周转时间 ，其中Ti为作业i的周转时间。 解：采用先来先服务调度策略，则调度次序为l、2、3。 作业号提交时间运行时间开始时间完成时间周转时间10.08.00.08.08.020.44.08.012.011.631.01.012.013.012.0平均周转时间T（811.612）/310.53 采用短作业优先调度策略，则调度次序为l、3、2。 作业号提交时间运行时间开始时间完成时间周转时间10.08.00.08.08.031.01.08.09.08.020.44.09.013.012.6平均周转时间T（8812.6）/39.53 思考题1 请同学们判断这句话：作业一旦被作业调度程序选中，即占有了CPU。（ ）提示：需要清楚作业调度和进程调度的区别。 【例2】考虑下述页面走向：1，2，3，4，2，1，5，6，2，1，2，3，7，6，3，2，1，2，3，6当内存块数量分别为3时，试问FIFO、LRU、OPT这三种置换算法的缺页次数各是多少? 答：缺页定义为所有内存块最初都是空的，所以第一次用到的页面都产生一次缺页。当内存块数量为3时： 发生缺页中断的次数为16。在FIFO算法中，先进入内存的页面被先换出。当页6要调入时，内存的状态为4、1、5，考查页6之前调入的页面，分别为5、1、2、4，可见4为最先进入内存的，本次应换出，然后把页6调入内存。发生缺页中断的次数为15。在LRU算法中，最近最少使用的页面被先换出。当页6要调入时，内存的状态为5、2、1，考查页6之前调入的页面，分别为5、1、2，可见2为最近一段时间内使用最少的，本次应换出，然后把页6调入内存。 发生缺页中断的次数为11。在OPT算法中，在最远的将来才被访问的页面被先换出。当页6要调入时，内存的状态为1、2、5，考查页6后面要调入的页面，分别为2、1、2、，可见5为最近一段时间内使用最少的，本次应换出，然后把页6调入内存。 【例3】在一个单道的程序设计系统中，有3个作业J1、J2、J3，它们到达输入井的时间分别为8：50、9：00、9：30，它们需要执行的时间分别为1.5小时、0.4小时、1小时。系统在10：00按响应比高者优先算法对它们进行调度，请回答： （1）作业被选中执行的次序是什么？（2）三个作业被选中时的响应比分别是多少？分析 响应比作业周转时间/作业运行时间 作业等待时间/作业运行时间系统在10：00，计算作业的响应比：以J1为例，它的作业计算时间是1.5小时，即90分钟；J1从8：50到达输入井，在10：00时刻，J1的等待时间为70分钟，因此作业J1的响应比为：170分钟/90分钟=1.77 同理，J2：160分钟/24分钟=3.5 J3：130分钟/60分钟=1.5因此按照响应比高者优先算法，优先调度J2。在10：24，J2完成。这时计算J1、J3的响应比：J1：1（7024）分钟/90分钟=2.04 J3：1（3024）分钟/60分钟=1.9 按照响应比高者优先算法，优先调度J1。在11：54，J1完成，系统调度J3，J3的响应比为1（302490）分钟/60分钟=3.4 因此，作业被选中执行的次序是J2、J1、J3。三个作业被选中时的响应比分别是：J1，2.04；J2，3.5；J3，3.4。解：（1）作业被选中执行的次序是J2、J1、J3。（2）三个作业被选中时的响应比分别是：J1，1.04；J2，2.5；J3，2.4。思考题2 某作业的提交时间为10：30，需要运行的时间为1小时，假设11：00开始调度，它的响应比是 。【例4】设有进程A、B、C、D依次进入就绪队列（相隔一个时间单位），它们的优先级（优先数大的优先级较高）如下表所示：进程 CPU时间 优先数 A 20 3 B 15 1 C 8 4 D 10 3 试问采用“先来先服务”、“静态优先数法”调度算法（注：优先数大的优先级高），选中进程的执行次序。解：采用先来先服务调度算法，按照进程进入就绪队列的先后次序占有CPU，其执行次序是A-B-C-D。采用静态优先数法，进程A最先就绪，在0时刻先占有CPU运行，随后1时刻进程B进入就绪队列，2时刻进程C进入就绪队列，3时刻进程D进入就绪队列。由于采用静态优先数法，不容许随时间的推移改变进程的优先级，所以当进程A运行结束时，系统的就绪队列中有B、C、D三个进程，而进程C优先级最高，于是选中C；这样分析下去，进程的执行次序是A-C-D-B。思考题3 时间片轮转调度算法是为了（ ）。A多个终端都能得到系统的及时响应 B先来先服务C优先级高的进程先使用CPU D紧急事件优先处理 参考解答 思考题1：错误。作业被作业调度程序选中，说明作业处于运行状态，即该作业进入内存并以进程的形式存在于系统中，但属于该作业的进程可能处于运行、就绪和等待状态，只有处于运行状态的进程才能占有处理机，而其余两种状态的进程并不占有处理机。 作业调度和进程调度的区别： 一个作业从进入系统到最后完成，一般至少要经历两级调度：作业调度和进程调度。 作业调度是宏观上的高级调度，它的主要功能是根据一定的算法，从输入井中选中若干个作业，分配必要的资源，如主存、外设等，为它们建立初始状态为就绪的作业进程。 进程调度是微观上的低级调度，它的主要功能是根据一定的算法将CPU分派给就绪队列中的一个进程。一般的操作系统都必须有进程调度。 可见在多道系统中，作业调度与进程调度是相互配合来实现多道作业的并行执行的。两者的关系可用下图表示。思考题2：1.5（注：作业等待0.5小时，运行1小时，响应比=10.5/1=1.5）思考题3：A【例5】考虑一个由8个页面，每页有1024个字节组成的逻辑空间，把它装入到有32个物理块的存储器中，问： （1）逻辑地址需要多少二进制位表示？ （2）物理地址需要多少二进制位表示？ 分析 在分页存储管理中，逻辑地址结构如下图所示。 它由两个部分组成：前一部分表示该地址所在页面的页号p；后一部分表示页内地址（页内位移）d。页号的地址位数决定了页的多少，假设页号有20位，则地址空间中最多可容纳的页面数为220，即1MB个页面。页内地址位数确定了每页的大小，若页内地址为12位，则每页大小为212，即2KB。 同理，物理地址中块号的地址位数决定了块的数量。由于页式存储管理内存空间块的大小与页面大小相同，所以物理地址中块内地址与逻辑地址中的页内地址位数相同。 解 因为页面数为8=23，故需要3位二进制数表示。每页有1024个字节，1024=210，于是页内地址需要10位二进制数表示。32个物理块，需要5位二进制数表示（32=25）。 （1）页的逻辑地址由页号和页内地址组成，所以需要3+10=13位二进制数表示。 （2）页的物理地址由块号和页内地址的拼接，所以需要5+10=15位二进制数表示。 【例6】若在一分页存储管理系统中，某作业的页表如下所示。已知页面大小为1024字节，试将逻辑地址1011，2148，4000，5012转化为相应的物理地址。000B 页号 块号 0 1 2 3 2 3 1 0，则该进程继续执行；否则释放队列中第一个等待信号量的进程。V操作的意义：我们用信号量及PV操作来实现进程的同步和互斥。PV操作属于进程的低级通信。什么是信号量？信号量（semaphore）的数据结构为一个值和一个指针，指针指向等待该信号量的下一个进程。信号量的值与相应资源的使用情况有关。当它的值大于0时，表示当前可用资源的数量；当它的值小于0时，其绝对值表示等待使用该资源的进程个数。注意，信号量的值仅能由PV操作来改变。一般来说，信号量S0时，S表示可用资源的数量。执行一次P操作意味着请求分配一个单位资源，因此S的值减1；当S0时，表示已经没有可用资源，请求者必须等待别的进程释放该类资源，它才能运行下去。而执行一个V操作意味着释放一个单位资源，因此S的值加1；若S0，表示有某些进程正在等待该资源，因此要唤醒一个等待状态的进程，使之运行下去。利用信号量和PV操作实现进程互斥的一般模型是： 进程P1 进程P2 进程Pn P（S）； P（S）； P（S）；临界区； 临界区； 临界区；V（S）； V（S）； V（S）； 其中信号量S用于互斥，初值为1。使用PV操作实现进程互斥时应该注意的是：（1）每个程序中用户实现互斥的P、V操作必须成对出现，先做P操作，进临界区，后做V操作，出临界区。若有多个分支，要认真检查其成对性。（2）P、V操作应分别紧靠临界区的头尾部，临界区的代码应尽可能短，不能有死循环。（3）互斥信号量的初值一般为1。利用信号量和PV操作实现进程同步PV操作是典型的同步机制之一。用一个信号量与一个消息联系起来，当信号量的值为0时，表示期望的消息尚未产生；当信号量的值非0时，表示期望的消息已经存在。用PV操作实现进程同步时，调用P操作测试消息是否到达，调用V操作发送消息。使用PV操作实现进程同步时应该注意的是：（1）分析进程间的制约关系，确定信号量种类。在保持进程间有正确的同步关系情况下，哪个进程先执行，哪些进程后执行，彼此间通过什么资源（信号量）进行协调，从而明确要设置哪些信号量。（2）信号量的初值与相应资源的数量有关，也与P、V操作在程序代码中出现的位置有关。（3）同一信号量的P、V操作要成对出现，但它们分别在不同的进程代码中。【例10】生产者-消费者问题在多道程序环境下，进程同步是一个十分重要又令人感兴趣的问题，而生产者-消费者问题是其中一个有代表性的进程同步问题。下面我们给出了各种情况下的生产者-消费者问题，深入地分析和透彻地理解这个例子，对于全面解决操作系统内的同步、互斥问题将有很大帮助。（1）一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区。定义两个同步信号量：empty表示缓冲区是否为空，初值为1。 full表示缓冲区中是否为满，初值为0。 生产者进程while(TRUE)生产一个产品;P(empty);产品送往Buffer;V(full);消费者进程while(True)P(full);从Buffer取出一个产品;V(empty);消费该产品;（2）一个生产者，一个消费者，公用n个环形缓冲区。定义两个同步信号量：empty表示缓冲区是否为空，初值为n。full表示缓冲区中是否为满，初值为0。 设缓冲区的编号为1n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。 生产者进程while(TRUE)生产一个产品;P(empty);产品送往buffer（in）；in=(in+1)mod n；V(full);消费者进程while(TRUE)P(full);从buffer（out）中取出产品；out=(out+1)mod n；V(empty);消费该产品;（3）一组生产者，一组消费者，公用n个环形缓冲区在这个问题中，不仅生产者与消费者之间要同步，而且各个生产者之间、各个消费者之间还必须互斥地访问缓冲区。定义四个信号量：empty表示缓冲区是否为空，初值为n。full表示缓冲区中是否为满，初值为0。mutex1生产者之间的互斥信号量，初值为1。mutex2消费者之间的互斥信号量，初值为1。设缓冲区的编号为1n-1，定义两个指针in和out，分别是生产者进程和消费者进程使用的指针，指向下一个可用的缓冲区。 生产者进程 while(TRUE)生产一个产品;P(empty);P(mutex1)；产品送往buffer（in）；in=(in+1)mod n；V(mutex1);V(full);消费者进程while(TRUE)P(full);P(mutex2)；从buffer（out）中取出产品；out=(out+1)mod n；V（mutex2）；V(empty);消费该产品;需要注意的是无论在生产者进程中还是在消费者进程中，两个P操作的次序不能颠倒。应先执行同步信号量的P操作，然后再执行互斥信号量的P操作，否则可能造成进程死锁。【例11】桌上有一空盘，允许存放一只水果。爸爸可向盘中放苹果，也可向盘中放桔子，儿子专等吃盘中的桔子，女儿专等吃盘中的苹果。规定当盘空时一次只能放一只水果供吃者取用，请用P、V原语实现爸爸、儿子、女儿三个并发进程的同步。 分析在本题中，爸爸、儿子、女儿共用一个盘子，盘中一次只能放一个水果。当盘子为空时，爸爸可将一个水果放入果盘中。若放入果盘中的是桔子，则允许儿子吃，女儿必须等待；若放入果盘中的是苹果，则允许女儿吃，儿子必须等待。本题实际上是生产者-消费者问题的一种变形。这里，生产者放入缓冲区的产品有两类，消费者也有两类，每类消费者只消费其中固定的一类产品。 解：在本题中，应设置三个信号量S、So、Sa，信号量S表示盘子是否为空，其初值为l；信号量So表示盘中是否有桔子，其初值为0；信号量Sa表示盘中是否有苹果，其初值为0。同步描述如下： int S1; int Sa0; int So0; main() cobegin father(); /*父亲进程*/ son(); /*儿子进程*/ daughter(); /*女儿进程*/ coend father() while(1) P(S); 将水果放入盘中; if（放入的是桔子）V(So); else V(Sa); son() while(1) P(So); 从盘中取出桔子; V(S); 吃桔子; daughter() while(1) P(Sa); 从盘中取出苹果; V(S); 吃苹果; 思考题： 四个进程A、B、C、D都要读一个共享文件F，系统允许多个进程同时读文件F。但限制是进程A和进程C不能同时读文件F，进程B和进程D也不能同时读文件F。为了使这四个进程并发执行时能按系统要求使用文件，现用PV操作进行管理，请回答下面的问题：（1）应定义的信号量及初值： 。（2）在下列的程序中填上适当的P、V操作，以保证它们能正确并发工作：A() B() C() D() 1; 3; 5; 7;read F; read F; read F; read F;2; 4; 6; 8; 思考题解答：（1）定义二个信号量S1