操作系统中的饥饿与老化

通常，饥饿会出现在优先级调度或短作业优先调度中。在优先级调度技术中，我们为每个进程分配一定的优先级，CPU 将根据该优先级进行分配并执行进程。在这里，CPU 将分配给具有最高优先级的进程。即使其执行时间很短，CPU 也会分配给优先级最高的进程。

饥饿对于操作系统中的进程来说非常糟糕，但我们可以通过老化来克服这个问题。

什么是饥饿？

饥饿或无限期阻塞是与优先级调度算法相关的现象。处于就绪状态且优先级较低的进程由于有其他优先级较高的进程在适当的时间到来而一直在等待 CPU 分配。高优先级进程会阻止低优先级进程获得 CPU。

例如，上面的图像进程的优先级高于其他进程，它们会更早获得 CPU。我们可以设想这样一种情况，只有一个进程的优先级非常低（例如 127），而我们为其他进程提供了高优先级。这会导致优先级较低的进程无限期地等待 CPU，从而导致饥饿。

饥饿的原因

操作系统中饥饿的一些常见原因如下：

• 当发生饥饿时，资源不足，进程的优先级开始降低。
• 如果高优先级进程不断垄断处理器，低优先级进程可能会永远等待。由于低优先级程序不与任何东西交互，饥饿不会导致死锁。
• 如果使用随机选择进程，则进程可能会因未被选中而等待很长时间。
• 饥饿是一种摆脱死锁的安全方法，因此它对整个系统整体的影响更为重要。
• 如果由于错误的资源分配决策，从未为进程提供执行所需的资源，则可能会发生饥饿。
• 如果资源不足以提供每个进程所需，则可能会发生饥饿。

处理饥饿的解决方案

可以在系统中实施的一些处理饥饿的解决方案如下：

• 可以使用独立的管理器来分配资源。该资源管理器公平地分配资源并试图避免饥饿。
• 应避免为资源分配或处理器分配随机选择进程，因为它们会鼓励饥饿。
• 资源分配的优先级方案应包含老化等概念，其中进程等待的时间越长，其优先级就越高，从而避免了饥饿。

饥饿与死锁的区别

以下是操作系统中死锁和饥饿之间的一些区别，例如：

1. 当一组中的任何进程都无法前进，因为它们所需的资源被其他进程占用时，就会发生死锁，如下图所示。另一方面，当进程等待无限时间以获取所需资源时，就会发生饥饿。
2. 死锁的另一个名称是循环等待。饥饿的另一个名称是活动锁定。
3. 发生死锁时，没有进程可以进展；而在饥饿时，除了受影响的进程外，其他进程可以进展或继续。

什么是 OS 中的老化？

在操作系统中，老化是一种用于避免饥饿的调度技术。固定优先级调度是一种调度规则，其中排队等待使用系统资源的任务被分配每个优先级。具有高优先级的任务在具有较低优先级的任务之前被允许访问特定的系统资源。

老化是一种逐渐提高等待系统时间长的进程的优先级（按时间片）的技术。通过这样做，随着时间的推移，低优先级进程会变成高优先级进程。

这种方法的缺点是，当有大量高优先级任务排队时，分配了低优先级的任务可能会被饿死。老化用于根据任务在就绪队列中的等待时间来逐渐提高任务的优先级。

问题

在基于优先级的调度算法中，一个主要问题是无限期阻塞或饥饿。可以运行但等待 CPU 的进程可以被视为被阻塞。优先级调度算法可能会让一些低优先级进程无限期等待。持续的高优先级进程流会阻止低优先级进程永远获得 CPU。

老化示例

假设一个系统具有 0-512 的优先级范围。在此系统中，0 表示最高优先级。

• 提高进程
  如果优先级范围是 127（低）到 0（高），我们可以每 15 分钟将等待进程的优先级提高 1。最终，即使是初始优先级为 127 的进程，其优先级也只需要不超过 32 小时就能老化到优先级为 0 的进程。
• 降低进程
  如果一个进程 P 在 0 分钟时的优先级数字是 127，那么每 15 分钟（时间片）后，将进程 P 的优先级数字减少 1。所以，15 分钟后，进程 P 的优先级将是 126。再次 15 分钟后，将进程 P 的优先级数字减少 1。因此，30 分钟后，进程 P 的优先级将变为 125，并且这个过程将继续。当优先级数字接近 0 时，进程 P 将成为高优先级进程，进程 P 将在很长时间后获得 CPU 进行执行。

老化的用途

• 老化用于确保低优先级作业最终完成执行。此技术可用于减少低优先级任务的饥饿。有许多实现老化方法，但它们都具有相同的原理，即进程的优先级应随着其在就绪队列中等待的时间而增加。优先级的增加可能等于也可能不等于进程的等待时间。
• 老化有助于在进程之间公平地分配资源。通过逐步提高等待进程的优先级，操作系统确保每个活动，无论其初始优先级如何，都能获得公平的资源和 CPU 时间份额。系统响应能力随老化而提高。
• 一些低优先级进程不太可能长时间滞留在等待队列中，因为它们在老化。随着其优先级的逐渐提高，它们获得执行的机会更多，从而提高了系统性能。
• 在进程的相对重要性方面，人们随着年龄的增长而变得更加平衡。通过避免进程具有显着不同优先级共存的情况，它还可以防止低优先级活动被完全忽略。
• 为了最大化长期性能，老化非常有益。它可以避免饥饿和优先级反转，这会对系统的整体吞吐量和效率产生负面影响。
• 老化有助于系统适应不断变化的工作负载和不断变化的过程需求。

老化限制

• 复杂性增加：由于需要额外开销来在进程老化时定期重新排序等待进程的优先级，因此调度算法的整体复杂性可能会增加。
• 开销：定期的优先级更改可能会产生额外的开销，这可能会降低调度算法的整体效率。
• 意外行为：如果老化速率设置不当，老化可能会导致意外行为。如果老化速率过慢，低优先级进程可能需要很长时间才能获得所需的资源。另一方面，如果老化速率过快，高优先级进程可能会饿死。
• 不公平：因为老化倾向于等待时间长的进程而不是新进程，所以它也可能对刚到达的进程不公平。因此，长时间等待的进程可能会继续获取资源，而新进程则得不到。

操作系统老化与饥饿的区别

饥饿和老化是操作系统中与资源分配和进程调度相关的两个关键概念。然而，它们是不同的问题和系统，用于处理进程的优先级和执行方式。这是一个类比

总结

在操作系统中，饥饿和老化是至关重要的概念，尤其是在 CPU 调度方面。老化是一种有效的解决方案，可以阻止低优先级进程长期被忽略，而饥饿是由资源分配不均引起的问题。理解并应用老化的系统保证了更好的性能、公平性和响应能力。

常见问题

Q1. 操作系统中的饥饿是什么意思？

当进程因高优先级进程始终获得优先而无限期等待资源访问时，就会发生饥饿。当优先级调度系统中的低优先级任务被持续忽略时，就会发生这种情况。

Q2. 饥饿对系统性能有什么影响？

饥饿可能导致 CPU 分配不当，以及某些进程停滞或无法启动。特别是在响应能力至关重要的实时或时间敏感型应用程序中，这会降低整体系统性能。

Q3. 进程调度饥饿的原因是什么？

饥饿通常是由不公平的调度算法引起的，特别是那些依赖严格优先级的算法。如果新的高优先级进程不断进入系统，低优先级进程就会被剥夺 CPU 时间。

Q4. 操作系统老化是什么意思？

老化是防止饥饿的一种方法。为了确保即使是低优先级进程也能最终被调度，进程的优先级会随着其在就绪队列中停留的时间而逐渐提高。

Q5. 老化如何缓解饥饿问题？

通过随着时间的推移逐步提高每个进程的重要性，老化确保了没有任何进程被完全忽略。公平的调度得以保证，并且所有进程，即使是那些初始优先级较低的进程，都能获得资源。

Q6. 死锁与饥饿有何区别？

死锁和饥饿是操作系统中常见的两个问题。当两个或多个进程停滞不前，一个进程等待另一个进程释放资源时，就会发生死锁；而在优先级方面，当进程因无法获得所需资源而无法进展时，就会发生饥饿。