一種計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及并行計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的多進(jìn)程資源分配技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種計(jì) 算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 操作系統(tǒng)中的多進(jìn)程調(diào)度問題是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的一個重要的研究內(nèi)容，進(jìn)程調(diào) 度算法的好壞直接影響到計(jì)算機(jī)資源的利用率和操作系統(tǒng)的運(yùn)行速度。多進(jìn)程調(diào)度算法解 決的核心問題是進(jìn)程同步（Synchronization)問題。該問題是指進(jìn)程數(shù)目與可用資源數(shù)目 不匹配，解決該問題需要考慮并發(fā)性、死鎖和公平性三方面。目前針對該問題的解決方案主 要集中在：1)避免進(jìn)程并發(fā)調(diào)度時的進(jìn)程死鎖方法；2)進(jìn)程死鎖發(fā)生時的有效解決方法。 具體的方法包括：服務(wù)生解法、資源分級解法、Chandy / Mistra解法以及Petri網(wǎng)模擬多 進(jìn)程調(diào)度的解法等。但這些方法很難保證計(jì)算機(jī)對多進(jìn)程調(diào)度的公平性。
[0003] 服務(wù)生解法是指定計(jì)算機(jī)中的一個處理器監(jiān)控進(jìn)程的調(diào)度，其它處理器進(jìn)行進(jìn)程 調(diào)度，所有進(jìn)行調(diào)度都需要獲得特定處理器的許可。通過這個指定的處理器進(jìn)行調(diào)度，避免 了進(jìn)程調(diào)度時的死鎖問題，但這種進(jìn)程調(diào)度方法并未涉及公平性。資源分級解法是對資源 分配一個偏序或者分級的關(guān)系，并約定所有資源都按照這種順序獲取，按相反順序釋放，而 且保證不會有兩個無關(guān)資源同時被同一項(xiàng)工作所需要。但當(dāng)操作系統(tǒng)中進(jìn)程數(shù)目增加時， 預(yù)先定義的進(jìn)程調(diào)度順序不會改變，造成多個進(jìn)程的長期等待，因此資源分級解法不適合 計(jì)算機(jī)對多進(jìn)程的動態(tài)調(diào)度。Chandy / Mistra解法允許進(jìn)程競爭任何資源，適合于實(shí)際 情況下計(jì)算機(jī)對進(jìn)程的調(diào)度，但在一段時間內(nèi)，存在某些進(jìn)程被多次調(diào)度，而某些進(jìn)程卻很 少被調(diào)度的情況，因此該方法不能保證進(jìn)程調(diào)度的公平性。Petri網(wǎng)模擬多進(jìn)程調(diào)度問題 時，增加了兩張?jiān)S可卡，利用許可卡來保證未執(zhí)行的進(jìn)程擁有資源訪問權(quán)限，避免了進(jìn)程餓 死狀態(tài)的發(fā)生，在一定程度上也保證了進(jìn)程調(diào)度的公平性。但這種方法會造成Petri網(wǎng)模 型中狀態(tài)的急劇增加，導(dǎo)致狀態(tài)空間爆炸問題，不利于計(jì)算機(jī)處理器對多進(jìn)程的實(shí)時調(diào)度。
[0004] 在操作系統(tǒng)中，并發(fā)進(jìn)程數(shù)目是動態(tài)變化，而每個進(jìn)程對資源的需求也是動態(tài)變 化，現(xiàn)有技術(shù)中多進(jìn)程調(diào)度算法在解決這類問題時很難保證進(jìn)程調(diào)度的公平性，降低了操 作系統(tǒng)對進(jìn)程調(diào)度的管理能力。
[0005] 因此，設(shè)計(jì)一種公平的多進(jìn)程調(diào)度方法已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中急需解決的問 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是決解現(xiàn)有技術(shù)中多進(jìn)程調(diào)度算法的不公平性，提出了一種計(jì)算機(jī) 多進(jìn)程公平調(diào)度的方法。通過集合運(yùn)算，構(gòu)造進(jìn)程的調(diào)度集和后備調(diào)度隊(duì)列，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī) 處理器對多進(jìn)程的公平性調(diào)度。該算法不但能有效的解決并發(fā)進(jìn)程的調(diào)度問題和進(jìn)程死鎖 問題，同時也實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)處理器對多進(jìn)程調(diào)度的公平性，提高了操作系統(tǒng)對并發(fā)進(jìn)程調(diào) 度的管理能力。
[0007] 本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法，需要進(jìn)行如下假設(shè)和定義：
[0008] 假定進(jìn)程集A= Ia1，…，an}，其中Si表示一個進(jìn)程，資源集B= Od1，…，bm}，其中IDi 表示為計(jì)算機(jī)中的一個資源。
[0009] 定義1 (影響因子）：當(dāng)某一進(jìn)程a被調(diào)用后，會占用資源集B中的k個資源，進(jìn)而 影響進(jìn)程集A中其它j個進(jìn)程獲取資源集B中的資源，則稱這j個進(jìn)程ai+1，…，為進(jìn) 程a在資源集B中的影響因子。
[0010] 定義2 (影響因子函數(shù)）：若進(jìn)程ai+1，…，是進(jìn)程a在資源集B中的影響因子， 則函數(shù)f(a) = {ai+1，…，ai+j被稱為進(jìn)程a在資源集B中的影響因子函數(shù)。
[0011] 定義3(調(diào)度集）：調(diào)度集D是進(jìn)程集A的一個真子集，對于任意dl，d2 e D，都有 dl (61" (d2)，并且對于任意a G A-D,總存在d G D使得a G f (d)。
[0012] 定義4(后備調(diào)度隊(duì)列）：后備調(diào)度隊(duì)列中的進(jìn)程為集合A-D中的進(jìn)程。
[0013] 本發(fā)明提出了一種計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟一：從進(jìn)程集中取出進(jìn)程組成調(diào)度集，將進(jìn)程集中未被調(diào)度的進(jìn)程組成后備 調(diào)度隊(duì)列；步驟二：判斷進(jìn)程調(diào)度請求是否結(jié)束，如未結(jié)束執(zhí)行下一步驟，否則調(diào)度結(jié)束； 步驟三：對調(diào)度集進(jìn)行調(diào)度；步驟四：將調(diào)度集中調(diào)度后的進(jìn)程轉(zhuǎn)移到后備調(diào)度隊(duì)列的隊(duì) 尾；步驟五：清空調(diào)度集；步驟六：從后備調(diào)度隊(duì)列中選取進(jìn)程再次構(gòu)造調(diào)度集，并跳轉(zhuǎn)至 步驟二。
[0015] 其中，步驟一中調(diào)度集由進(jìn)程集中能同時獲取資源的進(jìn)程組成。
[0016] 其中，進(jìn)一步地，步驟一中調(diào)度集的組成包括以下步驟：
[0017] 步驟A :將進(jìn)程集中進(jìn)程復(fù)制到臨時進(jìn)程集中，并初始化調(diào)度集為空集；步驟B :隨 機(jī)從臨時進(jìn)程集中任意取出一個進(jìn)程；步驟C :將進(jìn)程放入調(diào)度集中；步驟D :刪除臨時進(jìn) 程集中進(jìn)程的影響因子；步驟E :臨時進(jìn)程集不為空集，則跳轉(zhuǎn)到步驟B，或臨時進(jìn)程集為空 集，則結(jié)束調(diào)度集的組成。
[0018] 其中，調(diào)度集中的進(jìn)程從后備調(diào)度隊(duì)列的隊(duì)首選取。
[0019] 其中，進(jìn)一步地，調(diào)度集的組成包括以下步驟：
[0020] 步驟F :從后備調(diào)度隊(duì)列中選取進(jìn)程放入到調(diào)度集中；步驟G :將后備調(diào)度隊(duì)列中 未被選取的進(jìn)程按原順序排列。
[0021] 其中，進(jìn)一步地，步驟六中調(diào)度集的進(jìn)程由后備調(diào)度隊(duì)列的隊(duì)首向隊(duì)尾依次選取。
[0022] 其中，進(jìn)一步地，步驟六中選取的進(jìn)程不為調(diào)度集中任意進(jìn)程的影響因子。
[0023] 其中，調(diào)度集和后備調(diào)度隊(duì)列由集合運(yùn)算操作產(chǎn)生。
[0024] 其中，調(diào)度集和后備調(diào)度隊(duì)列能相互轉(zhuǎn)換。
[0025] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)處理器對多進(jìn)程調(diào)度的并發(fā)性、非死鎖性和公平性，提出了 一種計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法，采用集合運(yùn)算操作獲取進(jìn)程的調(diào)度集和后備調(diào)度隊(duì) 列，再產(chǎn)生可調(diào)度的進(jìn)程調(diào)度序列，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)處理器對多進(jìn)程并發(fā)操作的公平性調(diào)度。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法進(jìn)程調(diào)度過程的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法中調(diào)度集D構(gòu)造算法的流程圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法的流程圖。
[0029] 圖4是利用本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法對5個進(jìn)程和2個共享資源的5 次并發(fā)調(diào)度的模擬圖。
[0030] 圖5是利用本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法對6個進(jìn)程和2個共享資源的7 次并發(fā)調(diào)度的模擬圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 結(jié)合以下具體實(shí)施例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施本發(fā)明的過程、 條件、實(shí)驗(yàn)方法等，除以下專門提及的內(nèi)容之外，均為本領(lǐng)域的普遍知識和公知常識，本發(fā) 明沒有特別限制內(nèi)容。
[0032] 圖1為本發(fā)明中進(jìn)程調(diào)度過程的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。在本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào) 度的方法中，所有進(jìn)程分為三種狀態(tài)：
[0033] 1)初始時的進(jìn)程集狀態(tài)；
[0034] 2)進(jìn)程的調(diào)度集狀態(tài)；
[0035] 3)進(jìn)程未被調(diào)度時的后備調(diào)度隊(duì)列狀態(tài)。
[0036] 依據(jù)本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法，進(jìn)程集狀態(tài)轉(zhuǎn)換為調(diào)度集狀態(tài)和后備 調(diào)度隊(duì)列狀態(tài)。調(diào)度集狀態(tài)與后備調(diào)度隊(duì)列狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，直到進(jìn)程調(diào)度請求結(jié)束。
[0037] 圖2為本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法中調(diào)度集D構(gòu)造算法的流程圖。首先 輸入進(jìn)程集A，再將進(jìn)程集A中的所有進(jìn)程復(fù)制到臨時進(jìn)程集C，初始化調(diào)度集D為空集。當(dāng) 臨時進(jìn)程集C不空時，重復(fù)執(zhí)行如下操作：
[0038] 1)隨機(jī)獲取臨時進(jìn)程集C中的一個進(jìn)程a ;
[0039] 2)執(zhí)行集合運(yùn)算操作C=C_f (a) - {a};
[0040] 3) D=Du {a} 〇
[0041] 當(dāng)臨時進(jìn)程集C為空集時，輸出調(diào)度集D。由于是隨機(jī)取臨時進(jìn)程集C中的進(jìn)程 a，因此最終組成的調(diào)度集D不唯一。
[0042] 圖3為本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法的流程圖。計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度方 法的步驟如下：
[0043] 步驟一：由進(jìn)程集A中選出可進(jìn)行并發(fā)調(diào)度的進(jìn)程，組成調(diào)度集D，將進(jìn)程集A中 剩余未被調(diào)度的進(jìn)程按原次序排列組成后備調(diào)度隊(duì)列L ;
[0044] 步驟二：判斷進(jìn)程調(diào)度請求是否結(jié)束，如未結(jié)束則執(zhí)行下一步驟，否則調(diào)度結(jié)束；
[0045] 步驟三：對調(diào)度集D中所有進(jìn)程進(jìn)行并發(fā)調(diào)度；
[0046] 步驟四：將已被調(diào)度的進(jìn)程插入到后備調(diào)度隊(duì)列L的隊(duì)尾；
[0047] 步驟五：清空調(diào)度集D ;
[0048] 步驟六：從后備調(diào)度隊(duì)列L的隊(duì)首向后依次選取所有可并發(fā)調(diào)度的進(jìn)程，構(gòu)造下 一次的調(diào)度集D，并跳轉(zhuǎn)至步驟二。
[0049] 本發(fā)明計(jì)算機(jī)多進(jìn)程公平調(diào)度的方法利用了集合運(yùn)算的操作，使得計(jì)算機(jī)處理器 能夠?qū)φ{(diào)度集D中的所有進(jìn)程進(jìn)行并發(fā)調(diào)度，將暫時不能被并發(fā)調(diào)度的進(jìn)程放入后備調(diào)度 隊(duì)列L，然后將調(diào)度后的進(jìn)程同樣放入后備調(diào)度隊(duì)列L，再依據(jù)隊(duì)列先進(jìn)先出特點(diǎn)，取出后 備調(diào)度隊(duì)列L中所有可以進(jìn)行并發(fā)調(diào)度的進(jìn)程構(gòu)造調(diào)度集D，因此所有進(jìn)程都會被公平的 調(diào)度。
[0050]