批处理作业控制语言与作业说明书

作业控制语言

用户用于描述批处理作业处理过程控制意图的一种特殊程序
书写作业说明书的语言称为作业控制语言（JCL）

作业控制语言的类别

包括：I/O命令、编译命令、操作命令以及条件命令等

作业说明书

表达用户对作业的控制意图
内容：
作业的基本描述
作业控制描述
资源要求描述

作业控制块与作业表

作业控制块（JCB：Job Control Block）

作业控制块是批处理作业存在的标志
其中保存有系统对于作业进行管理所需要的全部信息 ，它们被保存于磁盘区域中

作业控制块的内容

作业控制块中所包含的信息数量及内容因系统而异
较简单的系统
较复杂的系统

作业控制块的建立

当作业开始由输入设备向磁盘的输入井传输时
系统输入程序为其建立一个作业控制块
进行初始化
初始化的大部分信息取自作业说明书

作业控制块的使用

需要访问作业控制块的程序
系统输入程序
作业调度程序
作业控制程序
系统输出程序等

作业控制块的撤消

作业完成后，其作业控制块由系统输出程序撤消
作业控制块被撤消后其作业也不复存在

作业表

每个作业有个作业控制块
所有作业JCB构成一个作业表
作业表存放在外存固定区域中，长度是固定
限制了系统所能同时容纳的作业数量
系统输入程序、作业调度程序、系统输出程序都需要访问作业表，因而存在互斥问题

批处理作业的状态及转换

一个作业从进入系统到运行结束
经历四个不同的状态：
“进入”
“后备”
“运行”
“完成”

运行状态的作业

三种状态：
就绪状态
执行状态
阻塞状态

作业的建立

一个作业建立过程的两个子过程：
作业的输入
JCB的建立
作业控制块JCB和作业：一一对应关系

作业的输入

作业的输入将作业程序、数据和作业说明书从输入设备（例如键盘）输入到外存，并形成初始信息
1．作业输入方式
联机输入方式
脱机输入方式
直接耦合方式
SPOOLing系统
（1）联机输入方式
用户和系统通过交互会话来输入作业
外围设备直接和主机连接
（2）脱机输入方式
为了解决单台设备联机输入时的CPU浪费问题
（3）直接耦合方式
把主机和外围低档机通过一个公用的大容量外存直接耦合起来

（4）SPOOLing系统
2．JCB的建立
在系统把作业信息输入到输入井之后
根据作业说明书和有关作业信息在外存的位置等
建立作业控制表JCB
JCB包含对作业进行管理所必须的信息
JCB表的数量是一个常数
外存输入井的大小有限
只有在获得JCB表项和足够输入井空间后
作业才可能创建成功

批处理作业的调度

主要功能：
审查系统能否满足用户作业的资源要求较容易
只要通过调用相应的资源管理程序的有关部分，审核其表中是否能满足作业说明书中的要求即可
按照一定的算法从输入井中的后备作业中选取作业
调度的关键在选择恰当的算法

1． 调度算法评价

调度实质上是一个策略问题
设定的目标往往是相互冲突的
目标：
单位时间内运行尽可能多的作业
使处理机尽可能保持“忙碌”
使各种I/O设备得以充分利用
对所有的作业都是公平合理的
要设计一个理想的调度算法是一件十分困难的事
在实际系统中，调度算法往往折衷考虑
设计调度算法时应考虑的因素：
调度算法应与系统设计目标保持一致
注意系统资源均衡使用
保证提交的作业在截止时间内完成
设法缩短作业平均周转时间
大多数操作系统都采用比较简单的调度算法

2．调度算法性能的衡量

作业平均周转时间
假定某一作业进入“输入井”的时间为Si，
它被选中执行，得到计算结果的时间为Ei
它的周转时间为Ti ＝Ei – Si
则作业平均周转时间为：

其中，n为被测定作业流中的作业数
平均带权周转时间

其中，ri 为某作业i的实际执行时间
T：衡量不同调度算法对同一个作业流的性能
W：同一调度算法对不同作业流的性能衡量

3．系统进行作业调度的决策因素

作业到达时间
预先为作业确定的优先级
系统可测定的其他因素：
作业所需的CPU时间C
存储要求M
打印输出的行数L
其他的资源要求

4．常见的批处理作业调度算法

（1）先来先服务算法
（FCFS：First Come First Serve）
（2）最短作业优先算法
（SJF：Shortest Job First）
（3）最高响应比优先算法
（HRN：Highest Response Ratio Next）
响应比R = 作业周转时间 / 作业处理时间
=（作业处理时间 + 作业等待时间）/ 作业处理时间
= 1 +（作业等待时间 / 作业处理时间）
（4）基于优先数调度算法
（HPF：Highest Priority First）
（a）由用户规定优先数（外部优先数）
用户提交作业时，根据急迫程度规定适当的优先数
作业调度程序根据JCB优先数决定进入内存的次序
（b）由系统计算优先数(内部优先数)
例：可按如下公式计算作业的优先数：
优先数 =
用户规定优先数 – 作业处理时间 + 作业等待时间 – 输出量

（5）均衡调度算法(分类排队算法)

基本思想：
根据系统运行情况和作业属性将作业分类
轮流从不同的作业类中挑选作业
目标：
力求均衡地利用各种系统资源，发挥资源使用效率
力求使用户满意
例1：将待处理作业分成如下队列：
队列1：计算量大的作业
队列2：I/O量大的作业
队列3：计算量与I/O量均衡的作业

调度时，在三个队列中各取一些作业
在内存中的作业有的使用处理机
有的使用外部设备
使得系统的各种资源能得到充分利用
例2：将待处理作业分成如下三个队列：
队列1：长作业
队列2：中等长度作业
队列3：短作业

调度时
取队列1一作业，队列2一作业，队列3一作业

长作业用户和短作业用户均比较满意

5．作业调度算法应用例子1

假设在单道批处理环境下有四个作业，已知它们进入系统的时间、估计运行时间
应用先来先服务、最短作业优先和最高响应比优先作业调度算法，分别计算出作业的平均周转时间和带权的平均周转时间

先来先服务调度算法计算结果

最短作业优先作业算法计算结果

最高响应比优先作业算法计算结果

5．作业调度算法应用例子2

在两道环境下有四个作业
已知它们进入系统的时间、估计运行时间
系统采用短作业优先作业调度算法，作业被调度运行后不再退出
当一新作业投入运行后，可按照作业运行时间长短调整作业执行的次序
请给出这四个作业的执行时间序列，并计算出平均周转时间及带权平均周转时间

两道批处理系统中最短作业优先作业算法计算结果

四个作业的执行时间序列为：
JOB1：10：00—10：05，10：40—11：05
JOB2：10：05—10：25
JOB3：10：25—10：30
JOB4：10：30—10：40

两道批处理系统中最短作业优先作业算法分析过程

10：00，JOB1进入，只有一作业，JOB1被调入执行
10：05，JOB2到达，最多允许两作业同时进入
所以JOB2也被调入
内存中有两作业，哪一个执行？题目规定当一新作业运行后，可按作业运行时间长短调整执行次序
即基于优先数可抢占式调度策略
优先数是根据作业估计运行时间大小来决定的
由于JOB2运行时间（20分）比JOB1少
（到10：05，JOB1还需25分钟）
所以JOB2运行，而JOB1等待
10：10，JOB3到达输入井，内存已有两作业
JOB3不能马上进入内存；
10：20，JOB4也不能进入内存
10：25，JOB2运行结束，退出，内存中剩下JOB1
输入井中有两作业JOB3和JOB4，如何调度？
作业调度算法：最短作业优先
因此JOB3进入内存
比较JOB1和JOB3运行时间
JOB3运行时间短，故JOB3运行
同样，JOB3退出后，下一个是JOB4
JOB4结束后，JOB1才能继续运行

6．多道程序对平均周转时间的影响

作业流在多道环境下运行
平均周转时间、带权平均周转时间
比单道环境下都有明显改善
不是任意作业组合都能改善调度性能
有时甚至可能变坏
例：四个各需两小时作业同时投入运行，I/O等待时间均占25%，即占CPU时间各为1.5小时
根据计算公式，CPU的空转率为0
采用简单轮转法调度，每小时各作业分别占用25%的CPU时间，算得该作业组合的平均周转时间约为6小时，而平均带权周转时间约为3
但是，若以单道程序方式运行：
平均周转时间T=（2+4+6+8）/4=5小时
平均带权周转时间W=（1+2+3+4）/4=2.5

7．作业调度与进程调度

作业能否占用处理器？什么时间能够占用处理器？
由进程调度来决定
进程的初始状态为就绪状态
进程调度选择当前可占用 CPU处理进程，当它让出处理器时，进程调度就再选另一作业的进程
作业调度与进程调度相互配合，实现作业的并行

作业调度与进程调度的例子

某系统采用不能移动已在内存中作业的可变分区方案管理内存，供用户使用的内存空间为100K，系统配有4台磁带机，一批作业如下图：

该系统采用多道程序设计技术，对磁带机采用静态分配，忽略设备工作时间和系统进行调度所共花的时间，请分别给出采用“先来先服务调度算法”和“短作业优先算法”选中作业执行的次序以及它们的平均周转时间。
若允许移动已在主存储器中的作业，则作业被选中的次序又是怎样的呢？它们的平均周转时间又如何？
小结：
作业调度前提：并行道数、资源满足
进程调度

批处理作业的控制

当作业为执行态时，作业调度程序为其建立一作业控制进程, 由该进程控制作业运行
作业控制进程：主要负责控制作业的运行，具体解释执行作业说明书的每一个作业步，并创建子进程来完成相应步骤
一个作业步的处理：
（1）建立子进程 （2）为其申请资源
（3）访问该作业的JCB （4）释放占有资源
（5）撤消子进程等
作业控制程序只有一个
对应每一处于执行状态的作业有一作业控制进程

作业退出

把输出结果送到输出设备上（启动缓输出进程完成）
回收各种资源

Spooling系统工作原理

全称：
Simultaneous Peripheral Operations On-Line
含义：
同时的外围设备联机操作（假脱机技术）
包括：
输入程序模块
输出程序模块
作业调度程序
作业执行前用慢速设备将作业预先输入到后援存储器（如磁盘、磁鼓，称为输入井）中，称为预输入
作业运行后，使用数据时，从输入井中取出
作业执行不必直接启动外设输出数据，只需将这些数据写入输出井中
作业全部运行完毕，再由外设输出全部数据和信息，称为缓输出
实现了对作业输入、组织调度和输出的统一管理
使外设在CPU直接控制下，与CPU并行工作（称为假脱机）
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