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设备分配与回收
2026 大纲 五（二）2 设备分配与回收，属「设备独立软件」层。
两个进程同时要打印机，给谁
应用程序接口说应用只报逻辑设备名、由系统映射到物理设备。 这一节讲映射那一步真正要做的事——当有多个进程同时要设备时，怎么分。
分设备比分内存麻烦，因为设备不是一个孤立的东西。 在有通道的系统里，一次 I/O 要打通的是一整条链路：
三级中任何一级忙着，这次 I/O 就走不通。 所以分配不是"找一台空闲设备"那么简单， 而是要沿这条链路逐级确认——这就是四张表（SDT → DCT → COCT → CHCT）存在的理由， 它们沿物理链路逐级向下指，每级各带忙/闲标志与等待队列。
要考虑的东西也不止"有没有空"。 至少三样： 设备的固有属性（独占还是共享，决定能不能同时给多个进程）、 设备的当前状态（忙还是闲）、 逻辑名到物理设备的映射（应用报的是逻辑名，得先落到具体某台）。 另外权限也要查——不是谁都能动任意一台设备。
最后是分配策略的取舍。安全分配摒弃了"请求和保持"（申请到一台就阻塞、 不会攥着一台再要另一台），因而不会死锁，代价是 CPU 与 I/O 完全串行； 不安全分配推进快，但每次都得做安全性计算。这一对取舍与 死锁那一章是同一套判据的两次出现。
一、设备分配中的数据结构
一次数据传输走的是这样一条物理链路：
数据结构正是照着这条链路建的，指针方向与链路方向一致：
| 数据结构 | 有几张 | 关键字段 | 指针指向谁、为什么 |
|---|---|---|---|
| SDT（系统设备表） | 全系统 1 张 | 设备类型、设备标识符、DCT 指针、驱动程序入口 | 它是唯一的入口，必须能从"设备名"找到那台设备的详细信息；顺带存驱动入口，省得再查一次 |
| DCT（设备控制表） | 每台设备 1 张 | 设备类型 type、设备标识 deviceid、忙/闲标志、设备队列队首指针、指向 COCT 的指针、重复执行次数 | 设备忙时要把请求进程的 PCB 排成队列，队首指针就是为此；设备必须知道自己挂在哪个控制器下才能继续往下查 |
| COCT（控制器控制表） | 每个控制器 1 张 | 控制器标识、忙/闲标志、等待队列指针、指向 CHCT 的指针 | 同理，控制器要知道自己挂在哪个通道下 |
| CHCT（通道控制表） | 每个通道 1 张 | 通道标识、忙/闲标志、等待队列指针 | 通道是链路末端（对内存侧），不再往下指 |
DCT 里的重复执行次数来自另一条需求：外设传数据容易出错，系统规定出错时可重复执行若干次，只有达到规定次数仍不成功才算失败——这是差错控制在数据结构上的落点。
二、设备分配时要考虑的三件事
| 考虑维度 | 取值与策略 |
|---|---|
| ① 设备的固有属性 | 独占设备：分配给某进程后由它独占，直到进程完成或主动释放；共享设备：可同时分配给多个进程，但要合理调度访问次序；虚拟设备：属可共享设备，可同时分配给多个进程（由 SPOOLing 实现） |
| ② 设备分配算法 | 先来先服务：按请求先后排成设备请求队列，总是分配给队首进程；优先级高者优先：高优先级排队列前面，同优先级按先来先服务 |
| ③ 分配中的安全性 | 安全分配：发出 I/O 请求后立即阻塞，I/O 完成才唤醒 → 不会死锁，但 CPU 与 I/O 串行；不安全分配：发出请求后继续运行，仅当所请求设备已被占用时才阻塞 → 可同时操作多台设备、推进快，但可能死锁 |
三、设备分配的完整步骤
以进程用物理设备名提出请求为例：
- 分配设备：按物理设备名查 SDT → 找到该设备的 DCT → 看忙/闲标志。忙 → 把请求进程的 PCB 挂到该设备的等待队列；闲 → 做安全性计算，安全才分配，不安全仍插入等待队列。
- 分配控制器：从 DCT 找到与该设备相连的 COCT → 看忙/闲标志。忙 → 把 PCB 挂到该控制器的等待队列；闲 → 分配。
- 分配通道：从 COCT 找到 CHCT → 看忙/闲标志。忙 → 把 PCB 挂到该通道的等待队列；闲 → 分配。
- 只有设备、控制器、通道三者都分配成功，本次分配才算成功，随即启动设备开始传输。
改用逻辑设备名请求后，系统从 SDT 中找该类设备的第一台，忙就找第二台、第三台……仅当该类设备全部被占用时进程才挂到该类设备的等待队列上。这是"设备独立性"在分配环节的收益。
四、设备的回收
分配的镜像操作。进程用完设备（或进程终止）时，系统沿链路逐级释放：
| 步骤 | 动作 | 唤醒谁 |
|---|---|---|
| ① 释放设备 | 把该设备 DCT 的忙/闲标志置为"闲"，清除与该进程的占用关系 | 若 DCT 的设备等待队列非空，唤醒队首进程，把设备分配给它 |
| ② 释放控制器 | 把 COCT 的忙/闲标志置"闲" | 若 COCT 等待队列非空，唤醒队首进程 |
| ③ 释放通道 | 把 CHCT 的忙/闲标志置"闲" | 若 CHCT 等待队列非空，唤醒队首进程 |
| ④ 注销登记项 | 若是用逻辑设备名请求的，撤销 LUT 中的对应表项 | —— |
五、设备独立性与逻辑设备表 LUT
用户程序用逻辑设备名请求设备（如 /dev/printer，只说明"我要打印机"，不指定哪一台），系统用逻辑设备表 LUT 把它映射到物理设备，表项含逻辑设备名、物理设备名、驱动程序入口地址（存入口地址是为省去再查 SDT 的一次间接）。
进程首次用逻辑名请求时，系统分配一台物理设备并在 LUT 中建立表项；以后再用同一逻辑名发起 I/O，查 LUT 就能直接找到物理设备与驱动入口。
六、引入 SPOOLing 之后，分配的是什么
独占设备分配有个绕不开的问题：打印机一次只能给一个进程用，别人只能排队干等。SPOOLing 改变的正是"分配的对象"：
| 没有 SPOOLing | 有 SPOOLing | |
|---|---|---|
| 进程申请到的是 | 打印机本身（一台物理独占设备） | 输出井中的一块空闲盘块 + 一张打印请求表 |
| 什么时候能继续跑 | 打印完 | 数据写进输出井就返回 |
| 会不会因它死锁 | 会（可能与别的独占设备形成循环等待） | 不会 |
| 分配的本质 | 分配一台设备 | 分配一块磁盘空间（可共享资源） |
这就是"虚拟设备"能被同时分配给多个进程的原因——被分配的其实是磁盘上的空间，而磁盘是共享设备。
考点速记
- 四张表 SDT → DCT → COCT → CHCT 沿物理链路逐级向下指（系统设备表 → 设备控制表 → 控制器控制表 → 通道控制表），三级各带忙/闲标志与等待队列。⚠️通道、控制器、设备三者都空闲才分配成功；回收时逐级释放并唤醒各级队首。
- 设备分配要考虑四件事：设备的类型（独占/共享/虚拟，决定能不能同时给多个进程）、设备的访问权限、设备的占用状态（忙/闲）、逻辑设备与物理设备的映射关系。⚠️ 四条都要考虑，一条都不多余。
- 分配的完整步骤：查 SDT 找设备类 → 查 DCT 看设备忙不忙 → 查 COCT 看控制器忙不忙 → 查 CHCT 看通道忙不忙 → 三级都通才建立链路。任何一级忙就把进程挂到该级的等待队列。
- 安全分配摒弃了"请求和保持"——申请到一台设备就阻塞自己，不会攥着一台再去要另一台，因而不会死锁，代价是 CPU 与 I/O 完全串行。
- 不安全分配允许进程持有设备的同时继续申请，推进快，但必须每次做安全性计算。
- 用逻辑设备名请求 + LUT 映射是设备独立性的落点：同类设备有一台空闲就不阻塞，换设备不改程序，还顺带支撑 I/O 重定向。
- 引入 SPOOLing 之后，分配给进程的是"虚拟设备"（井中的一块空间 + 一条请求记录），真正的物理设备由系统独家管着。
这一节在真题里被考过的形式：
只出过一道题，问的是"设备分配要考虑哪些因素"，四条全对。
- 问设备分配需要考虑哪些因素（2023-32）。答设备的类型 + 设备的访问权限 + 设备的占用状态 + 逻辑设备与物理设备的映射关系四条全部。⚠️ 这道题的设计意图是别把设备分配想窄了——它不只是"找一台空闲的"（占用状态），还要看这台设备是独占还是共享（类型，决定能不能同时给多个进程）、这个进程有没有权限动它（权限）、以及应用报的逻辑名该落到哪一台（映射）。四个维度各回答一个不同问题，与设备的基本概念那四套分类标准是同一个思路。
复习优先级：必须拿满，但内容不多。 速记第二条那四条就是唯一一道题的答案。 第一条那四张表的名字与顺序要能默写（它们沿物理链路排，不是随便列的）， 第四、五条那对取舍与死锁章共用判据， 在那边还会再用一次。
易错：认为设备分配只需看设备忙不忙。还要看类型、权限、逻辑到物理的映射，四条都要考虑。
易错：只查设备空不空就建立链路。通道、控制器、设备三级都空闲才行，任何一级忙都得排队。
易错：把四张表的顺序记乱。它们沿物理链路逐级向下：系统设备表 → 设备控制表 → 控制器控制表 → 通道控制表。
易错：认为安全分配也可能死锁。它摒弃了"请求和保持"——申请到一台就阻塞，攥不住第二台。
教材出处
- 设备控制表 DCT 的字段（设备队列队首指针、忙/闲标志、控制器表指针、重复执行次数）与 COCT、CHCT、SDT 三表：汤小丹《计算机操作系统》6.5.3 节，印刷 p201–202
- 设备分配的三个考虑因素、安全分配"摒弃了造成死锁的四个必要条件之一的请求和保持条件"、独占设备分配程序的三步与改用逻辑设备名的改进：同书 6.5.3 节，印刷 p202–203
- 逻辑设备表 LUT 的三项表项内容：同书 6.5.4 节，印刷 p203
- 引入 SPOOLing 后"实际上并没为任何进程分配设备，而只是在磁盘缓冲区中为进程分配一个空闲盘块和建立一张 I/O 请求表"：同书 6.6.2 节，印刷 p207
相关知识
设备的基本概念与分类｜缓冲区管理｜死锁的概念与必要条件｜假脱机技术（SPOOLing）