设备分配与回收

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操作系统中的设备分配与回收；
这是一个核心的I/O管理功能，其核心目标是：在多个进程竞争使用有限设备的情况下，安全、高效、公平地将设备分配给进程，并在使用完毕后妥善回收，以供其他进程使用。

为什么需要设备分配与回收？

  1. 设备稀缺性：设备数量（如打印机、扫描仪）远少于进程数量。
  2. 设备独占性：某些设备（如打印机）在一段时间内只能被一个进程独占使用，不能像CPU那样时间片轮转。
  3. 避免冲突：如果没有管理，多个进程同时向一台打印机发送数据，输出会交织在一起，完全无法使用。
  4. 提高利用率：通过合理的分配策略（如假脱机技术），让慢速的独占设备能被多个进程“同时”使用，减少设备空闲时间。

设备分类是分配的基础

操作系统会根据设备的特性，采用截然不同的分配策略：

设备类型 特点 例子 分配策略
独占设备 在一段时间内只允许一个进程访问，直到该进程释放。 打印机、磁带机、绘图仪 独占分配。需要复杂的分配与回收机制，通常配合SPOOLing技术。
共享设备 一段时间内允许多个进程交替访问（宏观共享，微观交替）。 磁盘、光盘 共享分配。无需分配，直接通过驱动访问。重点在于调度访问顺序（如磁盘臂调度算法）。
虚拟设备 通过SPOOLing技术将独占设备模拟成的共享设备。 通过打印服务程序管理的打印机 虚拟分配。进程将数据输出到高速设备（磁盘）即算完成，由后台守护进程真正分配物理设备。

设备分配与回收的流程

这个过程主要针对独占设备。其核心数据结构是设备控制表。

1. 核心数据结构：设备控制表

系统为每一台设备都维护一个设备控制表，用于记录设备的详细状态和分配情况。其主要包含：

  • 设备标识符：设备的唯一ID。
  • 设备状态：忙碌/空闲、故障/正常。
  • 指向控制器表的指针：设备连接的是哪个控制器。
  • 等待队列指针：指向所有因请求该设备而未成功的进程队列。
  • ...其他信息

2. 分配流程

当一个进程向系统发出I/O请求时，操作系统的设备分配程序会遵循以下步骤（以请求一台打印机为例）：

flowchart TD A[进程发出I/O请求<br>（如申请打印机）] --> B[检查设备状态<br>查询设备控制表] B -- 设备“忙碌”? --> C[是：进程进入设备等待队列] B -- 设备“空闲”? --> D{分配设备} D --> E[检查设备安全性<br>（分配是否会导致死锁?）] E -- 安全 --> F[分配设备<br>将设备控制表状态改为“忙碌”<br>建立设备与进程的连接] F --> G[进程开始使用设备] E -- 不安全 --> C C --> H[进程阻塞等待] H -- 设备被回收时 --> B

3. 回收流程

当进程使用完设备或正常终止时，操作系统会执行回收操作：

  1. 解除占用：操作系统将该进程与设备之间的连接断开。
  2. 更新状态：将设备控制表中的状态从“忙碌”修改为“空闲”。
  3. 唤醒进程：检查该设备的等待队列。如果队列不为空，则取出队首的进程，按照上述分配流程重新尝试为其分配设备。
  4. 清理资源：释放被进程占用的所有相关数据结构。

分配策略与算法

在进行分配时，系统需要考虑以下策略：

  1. 静态分配 vs. 动态分配

    • 静态分配：在进程运行前就将其所需的所有设备分配给它。直到进程结束，才回收所有设备。
      • 优点：简单，不会死锁。
      • 缺点：设备利用率极低。例如，进程只需要最后5分钟用打印机，但整个运行期间都占着它。
    • 动态分配：在进程运行过程中需要设备时才提出申请，用完立即释放。
      • 优点：设备利用率高。
      • 缺点：分配算法复杂，可能产生死锁（如进程A占着扫描仪等打印机，进程B占着打印机等扫描仪）。

  2. 设备分配算法

    • 根据设备的特性，选择不同的算法。
    • 先来先服务：最简单的算法，公平。
    • 高优先级优先：根据进程的优先级进行分配。

关键技术：SPOOLing（假脱机技术）

这是管理独占设备最重要的技术，它将独占设备改造成共享设备，极大地提高了设备利用率和系统效率。

  • 工作原理：

    1. 创建SPOOLing目录：在高速磁盘上开辟两个区域：输入井和输出井。
    2. 输入/输出重定向：
      • 对于输出：当用户进程请求打印时，SPOOLing系统并不是直接把打印机分配给它，而是将数据高速写入磁盘的输出井。进程此时认为打印任务已完成，可以继续执行。
      • 对于输入：待输入的数据预先由SPOOLing系统从输入设备读入到磁盘的输入井中。
    3. 后台操作：由后台守护进程（如lpd for printer）控制物理设备，它独立且负责地将输出井中的数据逐个、连续地送到物理打印机上打印。

  • SPOOLing中的分配与回收：

    • 分配：实际上分配的是磁盘空间（输出井中的一段存储），而不是物理打印机本身。因为磁盘是共享设备，所以可以快速、高效地“分配”给多个进程。
    • 回收：当一个打印任务的数据完全传输到输出井后，该进程占用的“虚拟设备”（磁盘空间）就被回收了。物理打印机的分配与回收由后台守护进程管理，它对用户进程是透明的。

总结

方面 描述
核心目标 解决多进程对有限设备的竞争，提高设备利用率，避免冲突。
基础 根据设备的独占性、共享性和虚拟性采用不同策略。
核心机制 通过设备控制表记录设备状态，采用安全性检查和等待队列进行管理。
关键技术 SPOOLing技术，将慢速独占设备转换为高速共享设备（磁盘）上的操作，是解决打印机等设备分配问题的完美方案。
分配方式 静态分配（简单低效）和动态分配（复杂高效，需防死锁）。

设备分配与回收是操作系统资源管理能力的集中体现，它确保了系统的稳定性和效率，让用户能够无缝、无冲突地使用各种硬件资源。
posted @ 2025-08-31 18:17  guanyubo  阅读(45)  评论(0)    收藏  举报