SO-04 Escalonamento de Processos

Processos Escalonamento da CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 2 Escalonamento de CPU

 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 escalonado pronto execução interrupção Escalonador espera E/S ou evento bloqueado por E/S ou evento Eduardo Nicola F. Zagari 3 Escalonamento de CPU

Eduardo Nicola F. Zagari 4 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 5 Escalonamento de CPU

 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. Eduardo Nicola F. Zagari 6 Escalonamento de 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 Eduardo Nicola F. Zagari 7 Escalonamento de CPU

 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) ) Eduardo Nicola F. Zagari 8 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 9 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 10 Escalonamento de CPU

 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) Eduardo Nicola F. Zagari 11 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 12 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 13 Escalonamento de 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 Eduardo Nicola F. Zagari 14 Escalonamento de CPU

 Para prevenir processos do usuário de monopolizar o sistema (CPU), por acidente ou de propósito, uma interrupção por tempo é usada quantum ou time-slice  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 Eduardo Nicola F. Zagari 15 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 16 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 17 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 18 Escalonamento de CPU

Suponha que os processos cheguem na ordem P1, P2 e P3  Turnaround médio = ( 10 + 12 + 14 ) / 3 = 12 u.t.  Tempo de espera médio = ( 0 + 10 + 12) / 3 = 7,33 u.t. Eduardo Nicola F. Zagari 19 Escalonamento de CPU

Suponha que os processos cheguem na ordem P2, P3 e P1  Turnaround médio: ( 14 + 2 + 4 ) / 3 = 6,67 u.t.  Tempo de espera médio = ( 4 + 0 + 2) / 3 = 2 u.t. Eduardo Nicola F. Zagari 20 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 21 Escalonamento de CPU

 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. Eduardo Nicola F. Zagari 22 Escalonamento de CPU

 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) Eduardo Nicola F. Zagari 23 Escalonamento de CPU

 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. Eduardo Nicola F. Zagari 24 Escalonamento de CPU

 Claramente preemptivo  O tempo médio de espera é alto  O desempenho depende do tamanho do quantum  se for muito grande (inﬁnito) tende a FIFO  se for muito pequeno, o overhead com ochaveamento de contexto se torna alto demais... Eduardo Nicola F. Zagari 25 Escalonamento de CPU

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 Eduardo Nicola F. Zagari 26 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 27 Escalonamento de CPU

 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. Eduardo Nicola F. Zagari 28 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 29 Escalonamento de CPU

 Turnaround médio: (16+1+6+18+19)/4 = 15 u.t. Eduardo Nicola F. Zagari 30 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 31 Escalonamento de CPU

 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 Alta Fila de processos  Interativo – RR prioridade do sistema  Batch – FIFO Fila de processos Possibilidade de interativos starvation Baixa Fila de processos prioridade batch  utra alternativa: time-slices entre ﬁlas (ex.: 80% para os interativos O em RR e 20% para os batch em FIFO) Eduardo Nicola F. Zagari 32 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 33 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 34 Escalonamento de CPU

Alta Menor prioridade Fila 1 quantum Fila 2 Fila 3 ... Baixa Fila N Maior prioridade quantum Eduardo Nicola F. Zagari 35 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 36 Escalonamento de CPU

 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) Eduardo Nicola F. Zagari 37 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 38 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 39 Escalonamento de 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. Eduardo Nicola F. Zagari 41 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 43 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 44 Escalonamento de CPU

#include <pthread.h> #include <stdio.h> #define NUM THREADS 5 int 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); Eduardo Nicola F. Zagari 45 Escalonamento de CPU

/* 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 threadn"); pthread exit(0); } Eduardo Nicola F. Zagari 46 Escalonamento de CPU

 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 Eduardo Nicola F. Zagari 47 Escalonamento de CPU

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 Eduardo Nicola F. Zagari 48 Escalonamento de CPU

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); Eduardo Nicola F. Zagari 49 Escalonamento de CPU

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SO-04 Escalonamento de Processos

by Nicola Zagari on Mar 08, 2010

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