so-04 escalonamento de processos

Processos Escalonamento da CPU

2 Escalonamento de CPU Eduardo Nicola F. Zagari

Conceitos Básicos Escalonamento de Processador Critérios de Escalonamento Escalonamento Não Preemptivo Escalonamento Preemptivo Mecanismos de Interrupção em Intervalos de Tempo Prioridades Algoritmos de Escalonamento Escalonamento para Vários Processadores Escalonamento em Tempo Real Estudo de Casos: Escalonamento no Unix, Windows XP,

Linux e de Threads


Multiprogramação: corresponde a diversos programas distintos executando em um mesmo processador maximiza utilização da CPU

No entanto, somente um processo é executado a cada instante em um processador

Toda vez que um processo tiver que esperar (evento ou E/S) outro processo usa a CPU (“ciclo de vida” de um processo) A execução de um processo consiste de um ciclo de execução de

CPU e espera de I/O

pronto

bloqueado

execução

E/S ou evento

interrupção espera por E/S ou evento

escalonado

Escalonador


Conhecido como Escalonador de Processsos Determina/Escolhe, dentre os processos que estão em memória,

qual processo será associado a uma CPU, quando esta estiver disponível

Age sobre os processos prontos para executar (processos do estado de pronto)

Segue uma política de escolha Executado várias vezes por segundo Reside permanentemente na memória


Situação para escalonamento: processo passa do estado em execução para pronto processo passa de em execução para espera/bloqueado processo passa de espera/bloqueado para pronto processo termina

Preempção: é quando um processo em estado de pronto tem precedência sobre o que está usando a CPU.

Escalonamenteo Não-Preemptivo: não contempla as preempções, isto é, o escalonador não interrompe os processos que estão em execução.

Escalonamento Preemptivo: que contempla a preempção das tarefas, isto é, provoca uma interrupção forçada de um processo para que outro, com a preempção, possa usar a CPU.


Determina qual processo no estado pronto para executar será associado a uma CPU, quando esta estiver disponível

É executado várias vezes por segundo Reside permanentemente na memória


Determina quais os processos que poderão competir pela CPU Responsável pela suspensão e ativação de processos, o que

significa flutuações na carga do sistema visando um melhor balanceamento

Atua como um buffer entre a admissão de jobs e a associação da CPU aos processos que constituem os jobs admitidos

Job: é um conjunto de atividades necessárias para a realização do trabalho computacional requerido por um usuário (divide-se em diversos steps (passos) )


Determina quais jobs serão admitidos e poderão competir pelos recursos do sistema (admission scheduling)

Permite que não existam jobs em demasia no sistema, o que acarretaria uma eterna competição pelos recursos

Todo job, uma vez admitido, acarreta na criação de um ou mais processos


O módulo Dispatcher dá o controle da CPU para o processo selecionado pelo escalonador de curto prazo. Isto envolve: Troca de contexto Mudança do processador para o Modo Usuário Salto para a localização adequada no programa do usuário para o

seu reinício Latência de Despacho – tempo que leva para o dispatcher parar

um processo e reiniciar a execução de outro


Utilização da CPU: % do tempo que a CPU fica ocupada (0 - 100%)

Throughput: número de processos completados por unidade de tempo

Turnaround: intervalo de tempo entre a submissão de um processo e sua finalização (soma dos intervalos esperando para ser carregado na memória, fila de pronto, em execução e em espera)

Tempo de espera: tempo que cada processo fica na fila de pronto

Tempo de resposta: tempo que o processo demora para produzir alguma resposta à uma requisição (importante para processos interativos)

É desejável maximizar os 2 primeiros e minimizar os 3 últimos Para sistemas interativos, é importante minimizar a variância do

tempo de resposta (previsibilidade)


Objetivos das políticas de escalonamento: maximizar a utilização da CPU maximizar o throughput minimizar o turnaround minimizar o tempo de espera minimizar o tempo de resposta ser justa maximizar o número de usuários interativos ser previsível minimizar o uso de recursos balancear o uso de recursos balancear usuários interativos com os demais priorizar processo que segurem recursos chave não degradar o sistema etc


Não permite a retirada da CPU de um processo após este tê-la conseguido

Tempo de resposta é mais previsível

É mais justo?

Processos curtos precisam esperar pelos longos Permite monopolização da CPU


Permite que a CPU seja retirada de um processo para ser entregue a outro

Garante que os processos possam progredir uniformemente Não permite a monopolização da CPU Usado para:

atendimento rápido de processos mais importantes tratamento de interrupções em sistemas de tempo real atender os usuários em sistemas de tempo compartilhado

A mudança de contexto envolve sobrecarga


Para prevenir processos do usuário de monopolizar o sistema (CPU), por acidente ou de propósito, uma interrupção por tempo é usada

é o tempo limite para uso da CPU, após o qual ocorre a interrupção por tempo

Um processo do usuário, uma vez interrompido por término do seu quantum, volta à fila de pronto para executar e permite o escalonamento de outro processo

Um processo em execução mantém controle sobre a CPU até: voluntariamente liberá-la quantum time expirado outra interrupção exija atenção da CPU para que seja tratada erro de execução

quantum ou time-slice


Podem ser fixas (estáticas) durante a vida do processo ou modificáveis (dinâmicas)

Podem ser associadas externamente ou de maneira automática Podem ser calculadas e associadas de forma racional ou

arbitrária


FIFO (First-In First-Out) (também conhecido por FCFS (First-Come First-Served))

SJF (Shortest Job First) Round-Robin SRT (Shortest Remaining Time) Prioridade Múltiplas Filas Múltiplas Filas com Realimentação Escalonamento para Vários Processadores Escalonamento de Tempo Real

Earliest Deadline


Não preemptivo (Uma vez em execução, é executado até o término)

O processo que chegar primeiro (first-in) é o primeiro a ser selecionado para execução (first-out)

Implementado através de fila Inicialmente criado para sistemas batch Injusto com jobs curtos (veja exemplos!) Ineficiente para sistemas de tempo compartilhado Combinado com outros esquemas


Turnaround médio = ( 10 + 12 + 14 ) / 3 = 12 u.t. Tempo de espera médio = ( 0 + 10 + 12) / 3 = 7,33 u.t.

Suponha que os processos cheguem na ordem P1, P2 e P3


Turnaround médio: ( 14 + 2 + 4 ) / 3 = 6,67 u.t. Tempo de espera médio = ( 4 + 0 + 2) / 3 = 2 u.t.

Suponha que os processos cheguem na ordem P2, P3 e P1


Não preemptivo O processo com o menor tempo para ser completado é

escolhido quando a informação sobre o tempo de execução não se encontra

disponível deve ser estimado ou usa-se o da última vez desempate pode ser, por exemplo, por FIFO

Reduz tempo médio de espera mais do que isto: SJF é ótimo, pois dá o tempo de espera mínimo para um dado conjunto de processos

No entanto, apresenta uma grande variância no tempo de espera


Turnaround médio FIFO: (6+14+21+24)/4 = 16,25 u.t. Tempo de espera médio: (0 + 6 + 14 + 21)/4 = 10,25 u.t.

Turnaround médio SJF: (3 + 9 + 16 + 24) / 4 = 13 u.t. Tempo de espera médio: (3 + 16 + 9 + 0) / 4 = 7 u.t.


O processo em execução libera voluntariamente a CPU retornando para a fila de pronto sem a interrupção do sistema operacional (não preemptivo)

Um programa mal escrito pode monopolizar a CPU Fila de mensagem é verificada periodicamente (Win 3.11)


Define-se uma unidade de tempo denominada quantum ou time-slice (usualmente de 10 a 100ms) que corresponde ao tempo limite para uso da CPU por cada processo

Após este tempo ter sido passado, o processo sofre preempção e é colocado no final da fila de pronto

A fila de pronto é tratada como uma fila circular (FIFO) O escalonador “pega” o primeiro processo da fila de pronto para

ser executado e define um timer para o tempo de 1 quantum Se o tempo de execução for maior que 1 quantum, o timer gera

uma interrupção e o SO faz o chaveamento de contexto Projetado para sistemas de tempo compartilhado

Se houver n processos na fila de pronto e o tempo do quantum for q, então cada processo obtém 1/n do tempo da CPU e fatias de no máximo q unidades de tempo por vez. Nenhum processo espera por mais que (n-1)q unidades de tempo.


Claramente preemptivo O tempo médio de espera é alto O desempenho depende do tamanho do quantum

se for muito grande (infinito) FIFO se for muito pequeno, o overhead com ochaveamento de

contexto se torna alto demais...

tende a


Quantum = 1 u.t.

Turnaround médio RR: (16 + 8 + 9) /3 = 11 u.t. Tipicamente, o turnaround médio é maior que o do SJF, mas o

tempo de resposta é melhor


É a contra-partida preemptiva do SJF O processo com menor tempo para ser completado é escolhido Um processo em execução é interrompido se um novo processo,

com menor tempo para ser completado aparece na fila de pronto Apresenta sobrecarga maior que o SJF

Variações: Tempo para ser completado pequeno Tempo para ser completado do processo que chega é pouco

menor


Turnaround médio SRT: ((17-0)+(5-1)+(26-2)+(10-3))/4 = 13 u.t. E qual é o turnaround médio se fosse escalonado segundo SJF?

Resp.: 14,25 u.t.


Uma prioridade é associada a cada processo e a CPU é alocada ao processo de maior prioridade

SJF é um caso de escalonamento por prioridade em que a prioridade é maior para os processos de menor tempo de execução

A prioridade é geralmente representada por um número (entre 0-7 ou 0-255), mas não existe uma convenção de qual número (o maior ou o menor) é o de maior prioridade

Pode ser preemptivo ou não SJF é um Escalonamento por Prioridade onde a prioridade é

definida de acordo com o tempo de CPU estimado do processo


Turnaround médio: (16+1+6+18+19)/4 = 15 u.t.


Prioridade definida: internamente: usa alguma quantidade mensurável para computar a

prioridade. (dinâmica) Ex.: memória, arq. abertos, razão I/O por CPU usada

externamente: importância do processo, departamento de origem, fatores políticos, hierarquia. (estática)

Problema: starvation - processos de baixa prioridade podem ficar indefinidamente no estado de pronto (IBM 7094 no MIT processo rodando por 6 anos)

Solução: aumentar progressivamente a prioridade dos processos que estão aguardando


Os processos são previamente divididos em grupos em função do tipo de processamento realizado Interativo (foreground) Batch (background)

A cada grupo é aplicado um mecanismo de escalonamento adequado Interativo – RR Batch – FIFO

Fila de processos batch

Fila de processos interativos

Fila de processos do sistema

Alta prioridade

Baixa prioridade

Outra alternativa: time-slices entre filas (ex.: 80% para os interativos em RR e 20% para os batch em FIFO)

Possibilidade de starvation


Os processos não permanecem em uma mesma fila até o término do processamento

O SO faz um ajuste dinâmico (mecanismo adaptativo) para ajustar os processos em função do comportamento do sistema

Os processos não são previamente associados às filas, mas direcionados pelo sistema entre as diversas filas com base no seu comportamento

Parâmetros: número de filas, algoritmo de escalonamento para cada fila, método para mudar (promover ou rebaixar) o processo de fila, método para determinar em que fila um processo entra

Método mais complexo


Um exemplo (existem outras variações): Processos novos entram no fim da primeira fila Nas filas, os processos são escalonados segundo Round Robin O quantum varia de uma fila para outra (aumenta em direção às

últimas, quantum 1 para a primeira, 2 para a segunda, etc) Os processos das primeiras filas têm maior prioridade (um processo

não pode ser escolhido, a menos que, as filas anteriores estejam vazias)

Um processo em execução é interrompido, caso apareça um processo em uma das filas anteriores à sua

Sempre que um processo esgotar seu quantum , ele é suspenso na fila da próxima classe de prioridade

Se o processo liberar a CPU, sem preempção, sai da estrutura de filas Quando um processo volta à estrutura, é colocado em uma fila de

prioridade mais alta do que estava antes de sair


Fila 3

Fila 2

Fila 1 Alta

prioridade

Baixa prioridade

Fila N

...

Menor quantum

Maior quantum


Vantagens de uma política como esta: Processos CPU-bound vão caindo em filas de prioridade mais baixas,

sendo escolhidos para rodar com menos freqüência; no entanto, eles recebem quanta maiores, necessitando receber a CPU por um número menor de vezes, o que reduz a quantidade trocas de contexto

Processos interativos (I/O-bound), normalmente pequenos, são favorecidos, reduzindo-se o tempo de resposta médio do sistema

Processos interativos grandes, após interação com usuários, retornam em filas de prioridade mais alta

Problema: pressionar <ENTER> em terminais processando longos jobs não interativos (CPU-bound)

Moral da história: implementar uma boa política na prática é muitíssimo mais difícil do que idealizá-la


Escalonamento mais complexo Processadores idênticos (homogêneos)

Compartilhamento de carga (load sharing) Fila por processador: processador pode ficar ocioso Fila única: compartilhamento de dados (problemas!)

Abordagens: Processamento simétrico

Cada processador faz seu próprio escalonamento (exclusão mútua!)

Mestre-Escravo: processamento assimétrico um algoritmo, executado em um processador reservado para

esse fim, é o escalonador dos outros processadores (alivia a necessidade de compartilhamento de dados)


Sistemas de tempo real: requisitos temporais Tempo compartilhado puro não funciona Hard real-time: requisitos temporais rígidos requer que uma tarefa

crítica seja completada dentro de um tempo garantido Ex.: tráfego aéreo, armas, sistemas médicos, controle industrial,

etc Soft real-time: requisitos temporais flexíveis requer que um processo

crítico receba prioridade sobre outros menos importantes Ex.: multimídia, realidade virtual, etc

Sistemas de TR rígidos: processadores dedicados Sistemas de TR flexíveis:

Implementados com outros esquemas Processos críticos devem ter prioridade sobre outros Implica na degradação do serviço dos outros usuários


Escalonamento baseado em prioridades dinâmicas A idéia básica é atribuir sempre a maior prioridade ao processo que

apresentar o prazo mais próximo a expirar (earliest deadline) Sempre que um novo processo chega na fila de pronto, são

calculadas e atribuídas novas prioridades a todos O Earliest Deadline é um algoritmo ótimo, isto é, o fator de

utilização da CPU é 100% Se os processos não forem independentes:

Problema da Inversão de Prioridades Solução: Protocolo de Herança de Prioridade

– Conseqüência: queda no fator de utilização da CPU


Unix Sistema de Tempo Compartilhado Meta: bom tempo de resposta aos processos interativos

Escalonamento de 2 níveis Escalonador de baixo nível: Filas Múltiplas (prioridade) com

realimentação Processos executando em modo kernel: prioridade negativa (que são as

maiores) Processos executando em modo usuário: prioridade positiva Roda primeiro processo da fila prioritária não vazia interrupções de

tempo: incremento do contador de utilização da CPU (que aumentará o valor da prioridade do processo)

Round-Robin dentro de cada fila A cada segundo as prioridades são recalculadas:

Contadores de uso da CPU divididos por 2 Nova prioridade = base + nice + contador de uso da CPU

Processos interativos voltam do bloqueio com prioridade negativa.


Dois algoritmos: time-sharing e real-time Time-sharing

Prioridades baseadas em créditos – processo com mais créditos é o próximo a ser escalonado

Crédito subtraído quando ocorre uma interrupção por tempo Quando crédito = 0, outro processo é escolhido Quando todos os processos têm crédito = 0, ocorre

“recarregamento” de créditos Baseado em alguns fatores como prioridade e histórico

Real-time Soft real-time (TR Flexível) Aderente ao Posix.1b – duas classes

FIFO e RR Processos de maior prioridade sempre executam primeiro


Escalonamento Local – Como a biblioteca de threads decide qual thread do usuário executar quando há um LWP disponível

Escalonamento Global – Como o kernel decide qual kernel thread deve ser a próxima a ser executada


#include <pthread.h>#include <stdio.h>#define NUM THREADS 5int main(int argc, char *argv[]){ int i; pthread t tid[NUM THREADS]; pthread attr t attr; /* get the default attributes */ pthread attr init(&attr); /* set the scheduling algorithm to PROCESS or

SYSTEM */ pthread attr setscope(&attr, PTHREAD SCOPE SYSTEM); /* set the scheduling policy - FIFO, RT, or OTHER */ pthread attr setschedpolicy(&attr, SCHED OTHER); /* create the threads */ for (i = 0; i < NUM THREADS; i++) pthread create(&tid[i],&attr,runner,NULL);


/* now join on each thread */ for (i = 0; i < NUM THREADS; i++) pthread join(tid[i], NULL);} /* Each thread will begin control in

this function */void *runner(void *param){ printf("I am a thread\n"); pthread exit(0);}


JVM usa um algoritmo de escalonamento baseado em prioridades e preemptivo

Uma fila FIFO é usada se houver múltiplas threads com a mesma prioridade

JVM escalona uma thread para executar quando: 1. A thread “em execução” sai do estado de “executável” 2. Uma thread de maior prioridade entra no estado “executável”

* Nota – a JVM não especifica se threads são “Time-Sliced” ou não


Uma vez que a JVM não assegura Time-Slicing, o método yield() pode ser usado:

while (true) { // perform CPU-intensive task . . . Thread.yield(); }

Isto passa o controle a uma outra thread de igual prioridade


Prioridade Comentário Thread.MIN_PRIORITY Prioridade Mínima de Thread Thread.MAX_PRIORITY Prioridade Máxima de Thread Thread.NORM_PRIORITY Prioridade Default de Thread

As prioridades podem ser ajustadas usando-se o método setPriority():

setPriority(Thread.NORM_PRIORITY + 2);

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