设备的分配与回收
本文内容
1 设备分配时考虑的因素
1.1 设备的固有属性
设备的固有属性可分为三种：独占设备、共享设备、虚拟设备。
(1) 独占设备：一个时段只能分配给一个进程。所有字符设备都是独占设备，如输入机、打印机、磁带机等。
(2) 共享设备：可同时分配给多个进程使用，各进程往往是宏观上同时使用共享设备而微观上交替使用。软硬盘、光盘等块设备都是共享设备。
(3) 虚拟设备：通过软件技术将独占设备改造成共享设备。如通过SPOOLing技术将一台打印机虚拟成多台打印机，其实质上还是独占设备。
1.2 设备的分配算法
设备的分配算法：先来先服务，优先级高者优先、短任务优先…和之前所提到的一样，这里不再多提。
1.3 设备分配中的安全性
从进程运行的安全性上考虑，设备分配分为两种方式：安全分配方式和不安全分配方式。
安全分配方式：为进程分配一个设备后就将该进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒。
如一个进程请求打印机打印输出的结果，把打印机分配给该进程后，就必须将该进程阻塞等待，可是进程可以把结果给打印机而不用等待就可以做其他事，由于安全分配方式，进程必须阻塞，直到打印机打印结束后才继续往下执行。
安全分配方式在一个时间段内每个进程只能使用一个设备。
优点：破坏了请求等待条件，不会死锁。
缺点：对于一个进程来说，PCU和I/O设备只能串行工作，系统资源利用率低。
不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求，只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞。
不安全分配方式一个进程可以同时使用多个设备。
优点：进程的计算任务和I/O任务可以并行处理，使进程推进。
缺点：有可能发生死锁。
2 静态分配和动态分配
静态分配：进程运行前为其分配全部所需的资源，运行结束后归还资源。破坏了请求等待条件，不会发生死锁。
动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源。
3 设备分配管理中的数据结构
设备、控制器和通道之间的关系
一个控制器可以控制多个设备，一个通道可以控制多个控制器，一个系统中可以有多个通道。
每个设备都有一个从属的控制器，同理每个控制器都有一个从属的通道。
所以，设备管理中的数据结构要可以表示这种树形的从属关系。
设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况。
控制器控制表（COCT）：每个设备控制器都会对应一张COCT。操作系统会根据COCT的信息对控制器进行操作管理。
通道控制表（CHCT）：每个通道都会对应一张CHCT。操作系统会根据CHCT的信息对通道进行操作管理。
系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目。
注：系统设备标记录的是系统中全部的设备，所以当用户根据设备名请求某个设备时，操作系统可以根据SDT找到用户指定的设备。
4 设备分配的步骤
(1) 根据进程请求的物理设备名查找SDT，用户在编程时需要用物理设备名作为系统调用的参数。
系统会找到系统分配表，根据用户提供的物理设备名查找到对应的表项，之后就可以找到该设备对应的设备控制表（DCT）。
(2) 根据上一步查找到的DCT，判断设备当前状态，如果是空闲的话，就将该设备分配给进程，反之设备忙碌则将进程的PCB挂到设备等待队列中。一直到该设备空闲把设备分配给进程，才会把进程唤醒。
除了将该设备分配给进程，同时还要将该设备对应的控制器也分配给进程，系统会根据DCT中指向控制器表的指针找到控制器对应的控制器控制表（COCT）。
(3) 根据上一步查找到的COCT，首先需要判断控制器当前状态，如果是空闲的话，就将该控制器分配给进程，反之控制器忙碌则将进程的PCB挂到控制器等待队列中。一直到该控制器空闲把设备分配给进程，才会把进程唤醒。
同样，也会根据COCT中的指向通道表的指针找到该控制器对应的通道的通道控制表（CHCT）。
(4) 根据上一步查找到的CHCT，首先需要判断通道当前状态，如果是空闲的话，就将该通道分配给进程，反之通道碌则将进程的PCB挂到通道等待队列中。一直到该通道空闲把设备分配给进程，才会把进程唤醒。
只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送。
5 设备分配的步骤的改进
上述设备分配过程的缺点：
(1) 用户编程时必须使用“物理设备名”，底层细节对用户不透明，不方便编程。
(2) 如果换了一个物理设备，即使是同类型的设备（如都是打印机，但是打印机品牌不同），则程序将无法运行。
(3) 如果进程请求的物理设备正在忙碌，即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待。
改进方法：建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需要提供逻辑设备名。
具体步骤：
(1) 根据进程请求的逻辑设备名查找SDT（系统设备表）（注：用户编程时提供的逻辑设备名就是“设备类型”）。
SDT中就有一个字段记录了设备类型，因此操作系统可以根据用户提供的逻辑设备名依次查找SDT，找到一个用户指定类型并且空闲的设备分配给进程，只有所有该类型的进程都忙碌时才需要将进程阻塞。
将设备分配给进程时，操作系统还需要在逻辑设备表（LUT）中新增一个表项，记录逻辑设备名和物理设备名的映射关系。
之后的操作和前面一致，不再赘述。
进程第一次通过逻辑设备名申请使用一个设备时，系统才会查找SDT，找到一个空闲的设备分配给进程，并在LUT中增加表项。当进程再次以相同的逻辑设备申请设备时，则操作系统通过LUT即可知道用户进程实际要使用的是哪个物理设备了，并且也能知道该设备的驱动程序入口地址。
逻辑设备表设置问题：
如果整个系统只有一张逻辑设备表，各个用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统。
每个用户一张LUT，不同的用户逻辑设备名可重复，适用于多操作系统。
6 小结
