Gerência de Processador

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Gerência de Processador

Ambientes Operacionais

Prof. Simão Sirineo Toscani stoscani@inf.pucrs.br www.inf.pucrs.br/~stoscani

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Multiprogramação

„ Torna mais eficiente o aproveitamento dos recursos computacionais

„ Mais de um programa sendo executado ao mesmo

tempo

‰ Diversos programas são mantidos na memória (um

executando e vários esperando para executar)

„ O próprio SO é composto de vários programas „ Gerenciamento de recursos para estes processos:

‰ Tempo de processador ‰ Espaço de memória ‰ Espaço em disco ‰ Periféricos 3

Programa e Processo

„

Programa: é o código a ser executado

(estático, passivo)

„

Processo: é o código em execução

(dinâmico, ativo)

‰ Altera seu estado no decorrer de sua execução ‰ Além do código, também possui os dados da

execução

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Processo

‰Um programa pode ter várias instâncias em

execução (isto é, vários processos podem estar executando o mesmo programa ao mesmo tempo)

„ Ex. mais de um browser aberto ao mesmo tempo „ Cada um tem seus dados, por exemplo: página que

está sendo visitada.

Ciclo de vida de um Processo

„

Em geral:

‰ Criação ‰ Execução ‰ Término

„ Tem SOs que trabalham com um número fixo de

processos, todos eles “criados” na inicialização do sistema

Criação de processos

„ A criação pode ser feita através de chamadas de sistemas

‰ e.g. fork, spawn, etc.

„ Podem ser associados a terminais

„ Podem ser associados a uma sessão de trabalho

‰ e.g. login de usuários: login + senha → shell

„ Em geral, pode se formar uma hierarquia de processos

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Ciclo de CPU e ciclo de E/S

‰ Ciclo de processador (ou ciclo de CPU) „ Tempo que ocupa a CPU

‰ Ciclo de E/S

„ Tempo que espera conclusão de uma operação de E/S

„ Troca de ciclos:

„ CPU → E/S: chamada de sistema „ E/S → CPU: ocorrência de interrupção

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Tipos de comportamentos

„ Os processos podem ser:

‰ CPU bound (ciclos de UCP grandes) ‰ I/O bound (ciclos de E/S freqüentes)

„ Exemplos:

‰ CPU bound: processo que inverte uma matriz ‰ I/O bound: processo que copia um arquivo

„ É conveniente ter uma mistura dos dois tipos de processos na memória, pois isto dá flexibilidade para o escalonamento (escolha de processos a serem executados)

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Término de um processo

„

Final normal

Final por erro

‰ e.g. divisão por zero, problema de E/S, limite de

tempo, falta de memória, proteção

„

Intervenção de outros processos (kill)

Log off de usuários

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Relacionamento entre processos

„

Processos independentes

Grupos de processos

‰Algum relacionamento

„ e.g. shell e os processos disparados dentro dele ‰Podem compartilhar recursos

‰Definem algum tipo de hierarquia

Hierarquia de processos

„ Processo criador é o pai „ Processo criado é o filho

„ Em geral, vai haver uma árvore de processos, que é

alterada de forma dinâmica

„ Questão associada: o que fazer quando um processo com

descendentes é destruído?

‰ Terminar todos processos de descendência

‰ Postergar termino do pai até que todos descendentes acabem ‰ Descendência ser herdada pelo processo “vô”

‰ Descendência ser herdada por um processo do SO

Fila de processos aptos

„

Após ser criado o processo entra em ciclo de

processador

‰Vários processos podem estar esperando pelo

processador (prontos para receber a CPU)

‰Os processos à espera da CPU ficam em uma

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Transição de estado

„ Cada processo muda de estado, durante a sua vida, de

acordo com o seguinte diagrama de transição:

Criação Apto Executando Destruição

Bloqueado Ocorrência de evento (interrupçao) Seleção Término Chamada de sistema 14

Transição de estado

„ O sistema operacional escolhe (entre os processos

aptos) qual será o próximo a entrar em execução

„ O módulo responsável por esta escolha é o

escalonador (scheduler)

„ Os processos são bloqueados apenas quando realizam

chamadas do sistema

„ Na maioria dos casos, o SO não permite que um

processo monopolize a CPU ( ver diagrama de transição a seguir)

„ Só no caso de haver multiprocessamento (i.é, mais de

uma UCP) pode-se ter mais de um processo no estado executando

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Transição de estado (mais detalhes)

Criação Apto Executando Destruição

Bloqueado Ocorrência de evento (interrupçao) Seleção _Término Tempo Chamada de sistema Retorno imediato Erro 16

Registro descritor de processo

(Process Control Block)

„ O SO mantém para cada processo um registro descritor:

‰ Número único do processo;

‰ Prioridade do processo no sistema (usada para definir a

ordem na qual os processos recebem o processador);

‰ Localização e tamanho da área de memória ocupada pelo

processo;

‰ Identificação dos arquivos abertos no momento;

‰ Informações para contabilidade (tempo de processador gasto,

espaço de memória ocupado, etc.);

‰ Estado do processo: apto, executando, bloqueado; ‰ Contexto de execução (isto é, conteúdos dos registradores da

UCP correspondentes a esse processo);

‰ Apontadores para encadeamento do descritor nas filas do SO.

Processos e filas

„

O registro descritor (RD) de um processo

sempre está encadeado a alguma fila:

„ Fila de tamanho fixo ou „ RDs alocados dinâmicamente ‰Fila de aptos

‰Fila de bloqueados

„

Eventos ocasionam transferências entre

filas

Escalonamento

„

O escalonador é o componente do SO

responsável por selecionar um processo apto

para executar no processador

„

O objetivo é dividir o tempo do processador

de forma justa entre todos processos aptos

„

Outros objetivos:

„ Maximizar a utilização do processador „ Maximizar a produção do sistema (throughput) „ Minimizar o tempo de espera

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Chaveamento de Contexto

„ É a troca do processo em execução (O contexto do processo que estava em execução deve ser guardado e o contexto do próximo a executar deve ser restaurado)

‰ Salvar contexto do processo é a primeira ação do SO ao

receber a CPU em uma interrupção

‰ Restaurar contexto do processo é a última ação do SO antes

de passar CPU ao processo escolhido pelo escalonador

„ Dispatcher é o nome do componente do SO que restaura o contexto do processo escolhido

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Chaveamento de Contexto

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Tipos de escalonadores

„

Três tipos:

‰ Curto prazo (existe em qualquer SO) ‰ Médio prazo (só existe em certos SOs) ‰ Longo prazo (também é raro)

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Escalonador de longo prazo

„

Decide quando um processo vai ser criado

Normalmente não é utilizado para processos

criados através de terminais (estes começam

imediatamente)

„

Controla o grau de multiprogramação

Escalonador de médio prazo

„

Utilizado quando o sistema fica

sobrecarregado

„

Decide qual processo vai ser retirado ou

restaurado na memória

‰ Operação de swap:

„ Swap out: processo retirado da memória e enviado ao

disco

„ Swap in: processo volta do disco para a memória

Escalonador de curto prazo

„

Seleciona um entre os processos prontos

para execução

„

Acionado sempre que a CPU fica livre

(processo foi bloqueado, terminou ou ocorreu

uma interrupção)

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Algoritmo de escalonamento FIFO

„

Processos que se tornam aptos entram no

fim da fila

„

Processo que está no inicio da fila é o

próximo a ser executado

„

Processo executa até que:

‰ Libere explicitamente o processador

‰ Realize uma chamada de sistema

‰ Termine sua execução

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FIFO (First-In First-Out)

também chamado FCFS (First-Come First-Served

)

„ Duração do próximo ciclo (A:12, B:8, C:15,D:5)

„ Tempo médio: (0+12+20+35)/4=16.75 A 0 12 20 35 40 B C D 27

FIFO

„

Prejudica processos I/O bound

Nem sempre propicia bom tempo de

resposta

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SJF (Shortest Job First )

„

Processos com menor tempo (futuro) de

utilização de CPU entra no inicio da fila,

empurra os outros para trás

„

Processos I/O bound são favorecidos (isto

“maximiza” a utilização dos periféricos)

SJF

„ Menor tempo médio de espera

„ Duração do próximo ciclo (A:12, B:8, C:15,D:5)

„ Tempo médio: (0+5+13+25)/4 =10.75 A 0 40 B C D 5 13 25

SJF

„

Como prever o tempo de execução?

Serve como limite teórico

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Escalonadores Preemptivos e

Não-preemptivos

‰ Esquema não-preemptivo. Uma vez selecionado, o

processo utiliza o processador até:

„ o término da execução do processo „ uma chamada de sistema ser realizada ‰ Esquema preemptivo. Uma vez selecionado, o

processo utiliza o processador até:

„ término da execução do processo „ chamada de sistema é realizada

„ processo de mais alta prioridade fica pronto para executar

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Round robin (fatia de tempo)

„ cada processo recebe uma fatia de tempo do processador (quantum ou time-slice) „ Processos entram no fim da fila „ O primeiro da fila é executado por uma

pequena fatia de tempo (ordem de 20 mS)

„ Sempre que a fatia de tempo acaba, a CPU é

transferida para o próximo da fila

„ O processo que acaba sua fatia de tempo vai para o fim da fila

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Round-robin

„ Duração do próximo ciclo (A:12, B:8, C:15,D:5) „ Para fatia de 3 unidades de tempo

„ Tempo médio: (0+5+13+25)/4 =10.75 A 0 40 B C D 3 6 9 12 15 18 23 28 34 34

Round-robin

Problema

‰Como definir a fatia de tempo

‰O chaveamento entre processos não é

instantâneo!

‰Exemplo, supor que: „ instrução executa em 1µs

„ 200 instruções para chaveamento → 200 µs „ Se fatia de tempo é 1ms então o chaveamento é 20%

do tempo para realizar trabalho útil (overhead de 20%)

Round-robin

„

Processos I/O bound são prejudicados

‰ Pois eles não executam durante toda sua fatia de

tempo

‰ Solução: „ Uso de prioridades

„ Processos I/O bound tem maior prioridade

Prioridade

„

Processos com maior prioridade executam

primeiro

‰No caso de mesma prioridade, é preciso escolher

uma alternativa para resolver qual executa primeiro: FIFO, SJF, Round-Robin

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Prioridade

Processo Prioridade Duração do próximo ciclo de processados A 3 12 B 4 8 C 2 15 D 1 5 A 0 40 B C D 5 20 32 38

Prioridade

„

Como definir prioridades?

„

Processos com menor prioridade podem ficar

esperando indefinidamente

‰Solução: aging (processos tem sua prioridade

aumentanda lentamente)

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Múltiplas filas

‰ Processos em foreground e em background

„ Como dividir tempo?

‰ Pode-se ter fila separada para I/O bound, com

maior prioridade para os processos desta fila (isto melhora a utilização dos periféricos)

‰ Tem-se realimentação quando os processos

podem mudar de uma fila para outra

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