A apresentação está carregando. Por favor, espere

A apresentação está carregando. Por favor, espere

Capítulo 5: Escalonamento de CPU

Apresentações semelhantes


Apresentação em tema: "Capítulo 5: Escalonamento de CPU"— Transcrição da apresentação:

1 Capítulo 5: Escalonamento de CPU

2 Conceitos básicos Utilização máxima da CPU obtida com a multiprogramação Execução de processos consiste de ciclos contendo rajadas de requisições a CPU e tempo de espera por I/O

3 Ciclo de uso da CPU

4 Histograma do tempo da rajada de requisições para a CPU

5 Escalonador de CPU O escalonador escolhe um processo na fila ready e aloca a CPU para ele A fila pode ser ordenada de acordo com diferentes critérios Fila de prontos (ready): Novos processos que ainda não acessaram a CPU, processos em execução que foram retirados da CPU devido a uma interrupção e processos que estavam esperando uma resposta de I/O e receberam essa resposta

6 Escalonador de CPU Decisões de escalonamento de CPU são tomadas quando um processo: Sai do estado de execução (running) para o estado de espera (waiting) Ocorre quando existe uma solicitação de I/O Sai do estado de execução (running) para o estado de pronto (ready) Ocorre quando acontece uma interrupção de clock Sai do estado de espera (waiting) para o estado de pronto (ready) Ocorre quando acontece uma interrupção avisando o fim de uma operação de I/O Termina O escalonamento nas condições 1 e 4 é não preemptivo ou colaborativo O escalonamento nas condições 2 e 3 é preemptivo

7 Escalonador de CPU Preempção Interrupção de clock Interrupção de I/O
Troca de contexto irá depender do escalonador

8 Escalonador de CPU – Acesso a dados compartilhados
Processo 1 Variável A compartilhada Leia do disco Escreve resultado em A Processo 2 Variável A compartilhada Leia variável A Escreve resultado na tela Execução SO escolhe P1 P1 lê do disco e começa a escrever o resultado em A SO para P1 e dá a vez a P2 P2 lê valor inconsistente em A P2 escreve valor inconsistente ( x x x x) na tela P2 termina e passa a vez a P1 P1 acaba de escrever resultado em A x x x ... x x x 1 1 ... x x x 1 1 ...

9 Escalonador de CPU – Preempção no modo kernel
Se o sistema operacional aplicasse preempção sobre o seu próprio funcionamento durante chamadas de sistema: Processo 1 Leia do disco Escreve resultado em A Processo 2 Leia do disco Escreve resultado na tela Chamadas de sistema Controle passa para o kernel

10 Escalonador de CPU – Preempção no modo kernel
Se o sistema operacional aplicasse preempção sobre o seu próprio funcionamento durante chamadas de sistema: Execução SO escolhe P1 P1 faz chamada de sistema para leitura de disco Passagem para o modo kernel e inicio da atualização do ponteiro de leitura de disco SO para P1 e dá a vez a P2 P2 faz chamada de sistema para leitura de disco Passagem para o modo kernel e inicio da atualização do ponteiro de leitura de disco, sobrescrevendo dados de P1 SO para P2 e dá a vez a P1 Fim da atualização do ponteiro para P1 (...) Em geral, SOs não fazem troca de contexto durante chamadas de sistema! Valor inconsistente no ponteiro

11 Despachante O despachante dá ao processo selecionado pelo escalonador o acesso a CPU. Para tanto, ele realiza: Troca de contexto Comutação para o modo usuário Direcionamento para a parte adequada do programa do usuário para reiniciar o programa Latência de despacho– tempo que o despachante gasta entre parar um processo e iniciar outro

12 Critérios de Escalonamento
Utilização de CPU Manter a CPU utilizada pelo maior tempo possível Vazão Aumentar o número de processos que são terminados por unidade de tempo Tempo de Turnaround Diminuir o tempo para executar um certo processo (tempo de execução + tempo em filas) Tempo de espera Diminuir o tempo que o processo espera na fila de prontos (ready) (tempo em filas) Tempo de resposta Diminuir o tempo entre a submissão de um pedido e a obtenção da primeira resposta (não necessariamente a saída do processo) (tempo de execução até primeira resposta + tempo em filas)

13 Algoritmos de escalonamento
First-Come, First-Served (FCFS) Scheduling Shortest-Job-First (SJF) Scheduling Shortest-remaining-time-first Escalonamento por prioridade Round Robin (RR) Filas multiníveis Filas multiníveis com realimentação

14 First-Come, First-Served (FCFS) Scheduling
Semelhante à fila FIFO, sem preempção Processo Tempo de Rajada P1 24 P2 3 P3 3 Assuma que os processos cheguem na ordem: P1 , P2 , P3 Então: Tempo de espera: P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27 Tempo de espera médio: ( )/3 = 17 P1 P2 P3 24 27 30

15 FCFS Scheduling (Cont.)
Agora, assuma que os processo chegam na ordem: P2 , P3 , P1 Então: Tempo de espera: P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3 Tempo de espera médio: ( )/3 = 3 Muito melhor que no exemplo anterior Efeito comboio Processo pequeno após processos longos pode causar uma baixa utilização da CPU P1 P3 P2 6 3 30

16 FCFS Efeito comboio Desvantagens Atrasos grandes
Baixa utilização da CPU P1 P2 P2 P3 Ocioso P1 P2 P2 P3 Espera por I/O de P1 Espera por I/O de P2 Espera por I/O de P3

17 Shortest-Job-First (SJF) Scheduling
Associar cada processo com o comprimento de sua próxima rajada de uso de CPU O próximo processo a acessar a CPU é aquele que apresentar o menor tempo de uso de CPU Não está relacionado ao tamanho do job, mas ao tamanho esperado até o próximo pedido de E/S Pode ter ou não preempção

18 Shortest-Job-First (SJF) Scheduling
SJF é um algoritmo ótimo para garantir o tempo médio mínimo Garante um tempo de espera médio mínimo dado um conjunto de processos Problema Descobrir qual o tempo da rajada de uso de CPU Ideal apenas para garantir o tempo médio mínimo. Um processo orientado a CPU em meio a inúmeros processos orientados a I/O pode nunca conseguir o acesso à CPU

19 Exemplo de SJF Tempo de chegada do processo Tempo de rajada P1 0.0 6
Então: Tempo de espera médio = ( ) / 4 = 7 P4 P3 P1 3 16 9 P2 24

20 Determinando o tempo da próxima rajada de CPU
Pode ser apenas estimado Portanto, é escolhido o processo com menor tempo previsto Estimativa pode ser feita utilizando o tempo das rajadas anteriores daquele processo tn = duração da n-ésima rajada de uso de CPU = valor previsto para a próxima rajada de uso de CPU α, 0 ≤ α ≤ 1 Defina: Geralmente, α = ½

21 Predição do comprimento da próxima rajada de CPU

22 Shortest-remaining-time-first
Versão do Menor Job Primeiro (SJF) com preempção Exemplo: Processo Tempo de chegada Tempo de rajada P1 0 8 P2 1 4 P3 2 9 P4 3 5 Então: Tempo de espera médio = [(10-1)+(1-1)+(17-2)+5-3)]/4 = 26/4 = 6.5 ms Sem preempção: Tempo médio = 7,75 ms Ver no quadro o funcionamento. P1 P2 1 17 10 P3 26 5 P4

23 Escalonamento por Prioridade
Uma prioridade é associada com cada processo A CPU é alocada ao processo com maior prioridade (menor inteiro  maior prioridade) Preemptivo Não-preemptivo O SJF é um escalonamento por prioridade, no qual a prioridade vale o inverso do tempo previsto para a próxima rajada de CPU Problema  Inanição – Processos com baixa prioridade podem não ser executados nunca Solução  Envelhecimento – Prioridade de um processo aumenta com o passar do tempo Supondo uma prioridade variando de 0 a N, 0 pode representar a mais alta ou a mais baixa prioridade. Daqui para frente, será usada a notação de 0 como mais alta prioridade.

24 Exemplo de escalonamento por prioridade
Processo Tempo de rajada Prioridade P1 10 3 P2 1 1 P3 2 4 P4 1 5 P5 5 2 Então: Tempo de espera médio = 8.2 ms Chegada de todos em T0 Definida internamente ou externamente P2 P3 P5 1 18 16 P4 19 6 P1 Exemplo sem preempção igual ao mesmo exemplo com preempção, pois todos chegam ao mesmo tempo

25 Semelhante ao FCFS com preempção.
Round Robin (RR) Semelhante ao FCFS com preempção. Cada processo recebe uma unidade de tempo pequena, chamada de quantum de tempo (q), que usualmente vale entre milissegundos. Após o fim de um quantum, o processo é deixa a CPU por preempção e é adicionado ao final da fila de prontos. P1 P2 P3 P4 ... Pn Fim do quantum ou espera por E/S

26 Exemplo de RR com Quantum = 4
Processo Tempo de rajada P1 24 P2 3 P3 3 Então: Tipicamente, apresenta um tempo de turnaround maior que o SJF, mas com melhor tempo de resposta q deve ser grande, quando comparado ao tempo de troca de contexto (Usualmente, q ~ 10ms a 100ms, troca de contexto < 10 us) P1 P2 P3 4 7 10 14 18 22 26 30

27 Round Robin (RR) Se existem n processos na fila de prontos e o quantum de tempo vale q, então cada processo recebe 1/n do tempo de CPU dividido em intervalos de tempo com q unidades de tempo. Nenhum processo esperará mais do que (n-1)q unidades de tempo. O temporizador gera uma interrupção a cada quantum para escalonar o próximo processo Desempenho q grande  FIFO q pequeno  s q não for grande com relação ao tempo de troca de contexto, então a sobrecarga é muito alta Ex: 5 processos, quantum = 20 ms -Cada processo recebe 20 ms de CPU a cada 5*20=100 ms

28 Quantum e troca de contexto

29 Variação do tempo de turnaround médio de acordo com o quantum
80% das rajadas de CPU devem ser menores que q

30 Filas Multiníveis Fila de prontos é particionada em diferentes filas. Ex: foreground (processos interativos) background (processos em batch) Processos permanentemente em uma dada fila Cada fila tem o seu próprio algoritmo de escalonamento: Ex: foreground – RR background – FCFS O escalonamento precisa ser realizado entre filas: Escalonamento com prioridade fixa Ex: Servir a todos os processos de foreground antes de servir os processos de background (Possibilidade de inanição). Porção de tempo – cada fila obtém uma certa quantidade de tempo de CPU Exemplo: 80% para foreground em RR e 20% para background em FCFS

31 Escalonamento em filas multiníveis

32 Filas multiníveis com realimentação
Um processo pode ser movido entre várias filas Envelhecimento pode ser implementado dessa forma Parâmetros do escalonador: Número de filas Algoritmo de escalonamento de cada fila Método para determinar o processo de escalonamento entre filas Método para rebaixar um processo Método para determinar a qual fila pertence um novo processo

33 Exemplo de Filas multiníveis com realimentação
Três filas: Q0 – RR com quantum de 8 ms Q1 – RR com quantum de 16 ms Q2 – FCFS Escalonamento Rebaixamento de jobs Novos jobs na fila Q0 Quando o processo chega a CPU, pode ser processado por no máximo 8 ms Se precisar de mais tempo de CPU, o job é movido para a fila Q1 Na fila Q1 , o job recebe um máximo de 16 ms de tempo de CPU Se não for suficiente para terminar ou fazer um pedido de I/O, ele é posto em Q2 Entre filas: Q2 só é acessada quando não existem jobs em Q1, que por sua vez só é acessada quando não existem jobs em Q0

34 Filas multiníveis com realimentação
Sujeito a inanição!

35 Escalonamento de Threads
Distinção entre threads de nível de usuário e de nível de kernel Usuário – gerenciados por biblioteca, sem interferência do kernel Biblioteca mapeia os threads de usuário em processos leves Kernel – gerenciados pelo kernel

36 Relembrando... Modelos multithreads

37 Escalonamento de Threads
Distinção entre threads de nível de usuário e de nível de kernel Usuário – gerenciados por biblioteca, sem interferência do kernel Biblioteca mapeia os threads de usuário em processos leves Kernel – gerenciados pelo kernel Quando o sistema tem suporte a thread, threads são escalonados e não processos Cada processo é mapeado em um ou mais threads

38 Relembrando....Processos e Threads

39 Escalonamento com múltiplos processadores
Escalonamento de CPU é mais complexo quando múltiplas CPUs estão em uso Multiprocessadores Homogêneos Todos os processadores tem capacidades iguais Heterogêneos Multiprocessamento Assimétrico Simples Um processador (mestre) cuida do escalonamento, processamento de I/O e outras atividades do sistema Demais processadores executam código de usuários Simétrico Cada processador cuida do seu próprio escalonamento Fila de prontos pode ser única ou por processador Usado em praticamente todos os sistemas operacionais

40 Escalonamento com múltiplos processadores
Afinidade do processador Processo tem afinidade com o seu processador corrente Leve Processo tende a ficar no mesmo processador, mas eventualmente pode ser trocado Forte Processo especifica que não deve migrar para outros processadores Melhora a eficiência no uso do cache do processador

41 Exemplos de Sistemas Operacionais
Escalonamento no Solaris Escalonamento no Linux

42 Solaris Escalonamento baseado em prioridade Seis classes
Tempo compartilhado (padrão) Interativo Tempo real Sistema Compartilhamento justo Prioridade fixa Um thread só pode pertencer a uma classe de cada vez Cada classe tem seu próprio algoritmo de escalonamento A classe tempo compartilhado tem uma fila de múltiplos níveis com realimentação

43 Tabela de despacho para classes padrão e interativa
Próxima prioridade se quantum de tempo chegar ao fim Baixa prioridade Próxima prioridade de processos que foram suspensos antes de usarem todo o quantum (ex: pedido de I/O) Alta prioridade

44 Escalonamento do Solaris
Escalonamento entre filas Escalonador converte prioridades específicas de cada classe em uma prioridade global por thread O thread com a maior prioridade é o próximo a ser executado Threads com mesma prioridade são escolhidos via RR Thread executa até que: Seja bloqueado Use a sua fatia de tempo Seja movido por preempção por um thread de maior prioridade

45 Escalonamento do Solaris

46 Escalonamento do Linux
Escalonador é executado em tempo constante, independente da carga do sistema Melhora com relação à versão original, herdada do Unix Preemptivo Baseado em prioridade Duas classes Tempo compartilhado e tempo real Quanto menor o valor, maior a prioridade Jobs com prioridade maior ganham maior fatia de tempo Diferentemente do Solaris

47 Prioridades e tamanho da fatia de tempo

48 Escalonamento do Linux
Tarefas organizadas em fila de execução (uma por processador) Organizadas em dois arrays com prioridade (ativo, expirado) Uma tarefa pode executar enquanto tiver tempo disponível em sua fatia Ao terminar de usar sua fatia de tempo, a tarefa não pode ser executada até que todas as outras tenham expirado o seu tempo Movida do array de ativos para array de expirados Quando o array de ativos fica vazio, os arrays são trocados

49 Arrays de ativos e expirados

50 Escalonamento do Linux
Escalonamento de tempo real de acordo com o POSIX.1b Tarefas de tempo real tem prioridade estática Demais tarefas com prioridade dinâmica Escalonador favorece tarefas interativas Tarefas interativas tem muito I/O e, consequentemente, grande tempo de suspensão Atualização de prioridade feita com base no tempo de suspensão (de -5 a +5) Tempos de suspensão maiores levam a reduções maiores no valor da prioridade (aumento da prioridade) – Processos limitados por I/O Tempos de suspensão menores levam a aumentos maiores no valor da prioridade (redução da prioridade) – Processos limitados por CPU A atualização da prioridade é feita quando a tarefa expira

51 Fim do capítulo 5


Carregar ppt "Capítulo 5: Escalonamento de CPU"

Apresentações semelhantes


Anúncios Google