Sistemas Operacionais

(1)

Instituto de Informática

-U

FRGS

Sistemas Operacionais

Gerência do processador

(Escalonamento)

Aula 05

_Instituto d e Informática -UFRGS

Introdução



Objetivos de um sistema operacional são:

 Eficiência: relação entre o uso efetivo de um recurso e a quantidade desse recurso disponível no sistema para uso

 Conveniência: qualidade de serviço prestado ao usuário  Não interferência



É comum o compromisso entre eficiência e conveniência

 Duas visões: uma do usuário (conveniência), outra do sistema (eficiência)  Deve ser eficaz: implica “cuidar” da eficiência sem esquecer da conveniência



Noção de escalonamento de recursos

 Processador, memória e dispositivos de E/S

Sistemas Operacionais 2 A. C arissimi -21-mars-1 8

Escalonamento vale tanto para processos como para threads

Instituto d e Informática -UFRGS

Escalonamento



Conceito genérico:

 Ação de selecionar a próxima requisição a ser atendida por um serviço  Cinco eventos: chegada, admissão, seleção, preempção e conclusão



Existem diferentes níveis de escalonamento de processos

 Curto prazo: gerência do processador  Médio prazo : gerência de memória

 Longo prazo : controle de admissão (grau de multiprogramação)

A. C arissimi -21-mars-1 8 seleção término preempção chegada admissão Escalonador Recurso Fila de espera Instituto d e Informática -UFRGS

Níveis de escalonamento

A. C arissimi -21-mars-1 8 apto execução bloqueado término E/S ou sincronização Evento (E/S ou sincronização) dispatcher apto suspenso Bloqueado suspenso Criação Erro! Longo prazo Curto prazo Médio prazo Gerência do processador Gerência do memória Controle de multiprogramação cedência

(2)

Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Escalonador de curto prazo

 Escalonamento curto prazo

 Processo de seleção de qual processo (thread) no estado apto usará a CPU  Algoritmo de escalonamento: COMO a

escolha é feita  Despachante (dispatcher):

 responsável pela troca de contexto  Latência: tempo para parar um processo

e iniciar o próximo Sistemas Operacionais 5 A. C arissimi -21-mars-1 8 apto execução bloqueado término E/S ou sincronização Evento dispatcher P2 P1 Salva contexto de P₁ Despachante recupera contexto de P₂ Escalonador (política) Modo usuário Modo núcleo P1 Salva contexto de P₂ Despachante recupera contexto de P₁ Cedência Instituto d e Informática -UFRGS

Gerência do processador



O escalonador é executado QUANDO um processo

 é criado*

 de executando vai para bloqueado  de executando retorna para apto  de bloqueado passa para apto*  termina a execução



Conceito de preempção

 Retirada involuntária (cedência) de um processo do estado “executando”  Pode ser por tempo ou por prioridade

 Escalonadores preemptivos e não preemptivos (cedência voluntária)

Sistemas Operacionais 6 A. C arissimi -21-mars-1 8 apto executando bloqueado término E/S ou sincronização Evento Cedência

*se o escalonador for preemptivo por prioridade CPU livre d e Informática -UFRGS

QUEM chama o escalonador?



Interrupção de software (chamada de sistema)

 Término

 Liberação voluntária da CPU  Operação de E/S

 Primitiva de sincronização



Interrupção de hardware

 Tempo

 Conclusão da operação de E/S



Escalonadores

 Não preemptivo ou cooperativo: apenas via interrupção de software  Preemptivo: interrupção de software e interrupção de hardware

C arissimi -21-mars-1 8 d e Informática -UFRGS

Objetivos gerais do escalonamento



Sistemas não interativos (em lote ou batch)

 Maximizar o número de tarefas por unidade de tempo (vazão ou throughput)  Minimizar o tempo entre submissão e término (tempo de retorno ou turnaround)  Minimizar o tempo no estado apto (tempo de espera ou waiting time)

 Manter a CPU ocupada a maior parte do tempo



Sistemas interativos

 Responder rapidamente as requisições (tempo de resposta ou response time)  Satisfazer as expectativas dos usuários (proporcionalidade, ou seja, tempo

esperado para executar uma tarefa)



Sistemas de tempo real

 Cumprir prazos no atendimento de eventos  Previsibilidade ou determinismo C arissimi -21-mars-1 8 Ainda: Justiça Respeitar políticas locais

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Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Ciclo de CPU e ciclo de E/S



Processo realiza ciclos de CPU e de E/S na sua execução

 Classificação de acordo com a duração relativa desses ciclos

 Limitado por CPU (CPU bound): possui longos ciclos de uso da CPU  Limitado por E/S (I/O bound): possui curtos ciclos de uso da CPU e faz E/S



Objetivo é mesclar adequadamente processos CPU bound e I/O bound

 “Sucesso” do escalonador

 Uso eficiente do processador e dos recursos de E/S (sobreposição dos ciclos)

Sistemas Operacionais 9 A. C arissimi -21-mars-1 8 CPU CPU

Pi CPU _E/S CPU

E/S E/S PJ (espera) Instituto d e Informática -UFRGS

Algoritmos de escalonamento



Algoritmos básicos de escalonamento

 First Come, First Served  Shortest Job First  Por prioridade  Round-Robin

 Múltiplas filas e múltiplas filas com realimentação



Há outros

 Variações e combinação dos algoritmos básicos  Tempo real (fora do contexto da disciplina)

Sistemas Operacionais 10 A. C arissimi -21-mars-1 8 apto executando bloqueado término E/S ou sincronização Evento Instituto d e Informática -UFRGS

First Come, First served (FCFS)



Implementado por uma fila em política FIFO

 Processos que entram em “apto” são postos no final da fila

 Seleciona para execução o processo “apto” que está na frente da fila



Escalonador do tipo não preemptivo



Vantagens e desvantagens

 Simples de implementar  Tempo médio de espera variável  Efeito comboio

 Processos I/O bound esperam (em apto) por um CPU bound  Subutilização de I/O

 Processos saem do bloqueado e esperam sua vez no estado apto

A. C arissimi -21-mars-1 8 Instituto d e Informática -UFRGS

Exemplo: First-Come, First-Served (FCFS)

 Ordem de chegada: P1, P2, P3  Diagrama de Gantt:  Tempo de espera : P1= 0; P2=24; P3=27  Tempo médio: (0 + 24 +27)/3 = 17 P1 P2 P3 24 27 30 0

Processo Ciclo CPU

P₁ 24 P2 3 P3 3  Ordem de chegada: P2, P3, P1  Diagrama de Gantt:  Tempo de espera : P1= 6; P2=0;P3=3  Tempo médio: (6+ 0 +3)/3 = 3 P1 P3 P2 6 3 30 0 A. C arissimi -21-mars-1 8 apto executando bloqueado término E/S ou sincronização Evento

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Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Shortest Job First (SJF)



Empregado em sistemas de lote (batch) antigos

 Tarefa (job): “pacote fechado” (processamento e E/S)



Ordena crescentemente a lista de “aptos” pela duração da tarefa

 É um tipo de prioridade



Pode ser não preemptivo ou preemptivo

 Depende o que acontece com a tarefa que chega no “apto” com uma duração menor do que a tarefa que está usando o processador

 Versão preemptiva: Shortest Remaining Time First (SRTF)



Vantagens e desvantagens

 Algoritmo ótimo (tempo de espera)  Conhecer previamente a duração da tarefa

Sistemas Operacionais 13 A. C arissimi -21-mars-1 8 Instituto d e Informática -UFRGS  Não preemptivo  Diagrama de Gantt:

 Tempo médio de espera:

=(0+ (8-1) + (12-3) + (17-2))/4 = 7,75

Exemplo: Shortest Job First (não preemptivo)

P1 P2 P4

12 26

0

P3

8 17

Processo Chegada Duração tarefa

P1 0 8 P2 1 4 P3 2 9 P4 3 5  Preemptivo  Diagrama de Gantt:

 Tempo médio de espera:

=(0+(1-1)+(5-3)+(10-1)+(17-2))/4 = 6.5 P1 P2 P4 5 26 0 P3 1 10 P1 17 Sistemas Operacionais 14 A. C arissimi -21-mars-1 8 apto executando bloqueado término E/S ou sincronização Evento d e Informática -UFRGS

Evolução do Shortest Job First



Um processo tem ciclos de CPU e de E/S

 Ordenar a lista de “aptos” baseado no ciclo de CPU, não na duração total  Vantagem sobrepor processamento com operações E/S (multiprogramação)



Estratégia é ordenar crescentemente a lista de “aptos” em função

do próximo ciclo de CPU

 Seria algo do tipo Shortest Next CPU burst



Desvantagem continua

 como conhecer o ciclo futuro de uso do processador?

C

arissimi

-21-mars-1

8

Fazer estimativa de uso futuro baseado no comportamento passado Solução possível de Informática -UFRGS C arissimi -21-mars-1 8

Prevendo o futuro...



Pode ser feito utilizando os tempos de ciclos já passados e

realizando uma média exponencial



Forma simplificada:

 Tempo_futuro_estimado = tempo_ultimo_ciclo + tempo_passado



Fator

 fornece importância para o passado recente (último ciclo)

ou para a história (ciclos passados)

(5)

Instituto d e Informática -U FRGS Sistemas Operacionais 17 A. C arissimi -21-mars-1 8

Exemplo de “previsão do futuro”

Parâmetros: =0.5 0=10

Ciclo de CPU:

Real: 6 4 6 4 13 13 13

Previsto: 10 8 6 6 5 9 11 12 _{(valores truncados)} Ciclo real Previsto n+1 Previsto n Instituto d e Informática -UFRGS

Escalonamento por prioridade



Prioridade é um valor numérico usado para ordenar processos

 Não há regra fixa para interpretar se menor valor é maior ou menor prioridade  Em caso empate usa um critério de desempate (tie-break)



Prioridade definida de forma

 Externa: fixa ,ou estática, via programa ou configuração  Interna: dinâmica, em função de consumo de recursos



Pode ser não preemptivo ou preemptivo

 Depende do que é feito quando processo de maior prioridade chega no apto



Problema com prioridades: inanição (starvation)

 Solução paliativa: envelhecimento (agging)

 Aumento (incremental) temporário de prioridade até processo ser executado, após execução retorna a prioridade original

Sistemas Operacionais 18 A. C arissimi -21-mars-1 8 Instituto de Informática -UFRGS  Diagrama de Gantt:

 Tempo médio de espera: =(0 + 1 + 6 + 16 + 18)/5 = 8,2

Exemplo: por prioridade

Processo Ciclo CPU Prioridade

P1 10 3 P2 1 1 P3 2 4 P₄ 1 5 P₅ 5 2 A. C arissimi -21-mars-1 8 Menor valor, maior prioridade apto executando bloqueado término E/S ou sincronização Evento Instituto d e Informática -UFRGS

Round Robin (RR)



FCFS com preempção por tempo

 Implementação por uma fila circular (política FIFO)



Cada processo recebe um tempo máximo para usar a CPU

 Fatia de tempo (quantum ou time slice)

 Ao terminar o quantum é retirado da CPU e volta a fila de aptos



Problema: dimensionamento do quantum q

 q →∞ : degringola para política FCFS (FIFO)

 q ≈ 0 : excesso de chaveamento de contexto (perda de eficiência)  Eficiência versus conveniência

A.

C

arissimi

-21-mars-1

(6)

Instituto d e Informática -U FRGS

Dimensionamento do quantum

Sistemas Operacionais 21 A. C arissimi -21-mars-1 8 q q q e e

...

e N *(q + e) Eficiência Conveniência q´ q’

...

q´ N *(q´ + e) q´ ≈ e q >> e

Solução: quantum variável Solução: quantum variável

e e e

q = quantum; e = escalonador + dispachter

Instituto d e Informática -U FRGS  Diagrama de Gantt:

 Tempo médio de espera: =(0+ 4 + 7 + 6)/3 = 5,66

Exemplo: Round Robin

Processo Ciclo CPU

P1 24 P2 3 P3 3 Sistemas Operacionais 22 A. C arissimi -21-mars-1 8

quantum = 4 apto executando

bloqueado término E/S ou sincronização Evento d e Informática -UFRGS

Escalonamento multinível

 Quando os processos podem ser classificados em grupos

 Exemplo: foreground x background; interativos x tempo real, sistema interativos x batch... C arissimi -21-mars-1 8 CPU Evento

Fila de bloqueados _{Espera por evento} Preempção Fila apto 0 Dispatch Término Fila apto 1 Fila apto n Prioridade 0 Prioridade 1 Prioridade n executando  Cada grupo é associado a uma fila

 Prioridades diferentes  Busca um processo da

primeira fila de mais alta prioridade não vazia

 Cada fila pode ter uma política diferente

 Pode ser não preemptivo ou preemptivo

 Não é propriamente uma política

d

e Informática

-UFRGS

Escalonamento multinível com realimentação

C arissimi -21-mars-1 8 CPU Evento

Fila de bloqueados _{Espera por evento} Preempção Fila apto 0 Dispatch Término Fila apto 1 Fila apto n Prioridade 0 Prioridade 1 Prioridade n executando  Baseado em prioridades dinâmicas

 Pode ser preemptivo ou não preemptivo

 Aspectos a definir  Quantidade de filas

 Algoritmo de escalonamento por fila

 Método para fazer o upgrade e o downgrade da prioridade  Fila de entrada do processo

(7)

Instituto

d

e Informática

-UFRGS

Um ajuste a ser feito...



Escalonamento por fração justa (fair share)



Um escalonador deve ser justo com os usuários do sistema

 Tomar decisões baseados só em processos leva a injustiças

 Ex: usuário 1 com 9 processos e usuário 2 com 1 processo. O usuário 1 potencialmente usaria 90% do processador.



Solução:

 Considerar o proprietário do processo como parte do procedimento da política de escalonamento

 Dois usuários devem receber 50% do processador independente do número de processos que cada um deles detém

Sistemas Operacionais 25 A. C arissimi -21-mars-1 8 Instituto d e Informática -UFRGS Sistemas Operacionais 26 A. C arissimi -21-mars-1 8