ASO – Machado/Maia – complem. por Sidney Lucena (UNIRIO) 8/1 Arquitetura de Sistemas...
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Machado/Maia – complem. por Sidney Lucena (UN 8/1 Arquitetura de Sistemas Arquitetura de Sistemas Operacionais Operacionais Francis Berenger Machado Francis Berenger Machado Luiz Paulo Maia Luiz Paulo Maia Complementado por Sidney Lucena (Prof. Complementado por Sidney Lucena (Prof. UNIRIO) UNIRIO) Capítulo 8 Capítulo 8 Gerência do Processador Gerência do Processador
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Arquitetura de Sistemas Arquitetura de Sistemas OperacionaisOperacionais
Francis Berenger MachadoFrancis Berenger MachadoLuiz Paulo MaiaLuiz Paulo Maia
Complementado por Sidney Lucena (Prof. UNIRIO)Complementado por Sidney Lucena (Prof. UNIRIO)
Capítulo 8Capítulo 8Gerência do ProcessadorGerência do Processador
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Escalonamento Uma vez que há diversos processo na fila de pronto, qual deles selecionar para o estado de execução?
o Política de Escalonamento!
Base da gerência do processador
Esta do d eEsp era
Esta do d eExecu çã o
Esta do d ePro nto
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Escalonamento Funções básicas da política de escalonamento:
o Manter a CPU a mais ocupada possível
o Balancear o uso da CPU entre os processos
o Privilegiar aplicações críticas
o Maximizar throughput (vazão) do sistema
o Possibilitar tempos de resposta razoáveis para aplicações interativas (SO de tempo real)
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Escalonamento Cada SO possui sua política de escalonamento
Escalonador (scheduler): rotina responsável por implementar a política de escalonamento
Dispatcher: rotina responsável pela troca de contexto depois que o escaclonador determina qual processo vai para o estado de execução
o Tempo gasto para troca de contexto é chamado de latência do dispatcher
Comportamento é o mesmo tanto para processos quanto para threads no estado de pronto
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Escalonamento Critérios considerados na política de escalonamento:
o Utilização da CPU
Desejável maximizar
Abaixo de 30%, carga baixa; acima de 90%, próximo da saturação (atenção!)
o Throughput
Número de processos / tempo, desejável maximizar
o Tempo de CPU
Tempo do processo no estado de execução durante todo seu processamento
Não é afetado pela política de escalonamento
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Escalonamento Critérios considerados na política de escalonamento:
o Tempo de Espera
Tempo total do processo na fila de pronto durante todo seu processamento, desejável minimizá-lo
o Tempo de Turnaround
Tempo total do processo (início a fim), desejável minimizá-lo
o Tempo de Resposta
Tempo entre uma requisição ao sistema e sua resposta (p/ex., digitação e saída no monitor)
Muitas vezes limitado pelos dispositivos de E/S
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Escalonamento Escalonamento não preemptivo:
o Primeira forma de implementação
o Processo em execução não pode ser interrompido por evento externo e sai do estado de execução somente quando termina ou quando executa instrução que o coloque no estado de espera
Escalonamento preemptivo:
o SO pode interromper um processo em execução e passá-lo para o estado de pronto, colocando outro em execução
o Permite implementar políticas de escalonamento e priorizar processos
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Escalonamento FIFO
U C P
Estado d eC r iação
Estado d eEsp era
Fila do s pro cesso s n o estad o d e Pron to
Estado d eTérm ino
First-In-First-Out
o Primeiro a entrar na fila de pronto é selecionado para execução
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Escalonamento FIFO
Processo A
Processo B
Processo C
10 14 17
Processo A
Processo B
Processo C
4 7 17 u .t.
u .t.
ProcessoTem p o d e
p rocessa do r(u .t.)
A
B
C
10
4
3
No ex., tempo médio de espera é diferente p/ cada caso
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Escalonamento FIFO Simples, porém apresenta deficiências:
o Impossibilidade de se prever início da execução de determinado processo
o Não se preocupa em otimizar critérios de escalonamento (p/ex., tempo de turnaround de processos que demandam menos CPU)
o Processos CPU-bound dominam o processador frente a processos I/O-bound
o Escalonamento do tipo não-preemptivo, atualmente adotado com algumas variações
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Escalonamento SJF
Processo A
Processo B
Processo C
3 7 17 u .t.
Shortest-Job-First
o Processo com menor tempo de processador a executar é selecionado para execução
o Tende a reduzir o tempo médio de espera (ver ex.)
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Escalonamento SJF Implementação se vale de estimativas para o tempo de execução restante para os processo na fila de pronto
o Estimativas levam em consideração execuções anteriores de cada processo
o Tende a reduzir o tempo médio de espera (ver ex.)
o Impossibilidade de estimar tempo de processador para aplicações interativas
Escalonamento considera apenas tempo de CPU na próxima vez que o processo for escalonado, não mais o tempo total até o término
Estimativa baseada em média exponencial dos últimos tempos de CPU
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Escalonamento SJF Escalonamento não-preemptivo
Em relação ao escalonamento FIFO, reduz o tempo médio de turnaround dos processos
Possibilidade de starvation para processos com tempo de CPU muito longos ou CPU-bound
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Escalonamento Cooperativo Processo em execução pode, voluntariamente, liberar processador e retornar à fila de pronto
Liberação do processador é tarefa exclusiva do processo em execução
o Processo em execução verifica periodicamente se há processos na fila de pronto para saber quando deve liberar a CPU
Demais processos não serão executados se processo em execução não liberar a CPU
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Escalonamento circular
Preem p ção po r tem p o
U C P
Estado d eC r ia çã o
Estado d eEsp era
Fila do s pro cesso s n o estad o d e Pron to
Estado d eTérm ino
Ou Round-Robin Scheduling
o Escalonamento semelhante ao FIFO, porém preemptivo, onde é dada uma fatia de tempo de execução para cada processo e, ao final deste período, o processo vai para o final da fila de pronto
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Escalonamento circular
Processo A
Processo B
Processo C
2 4 17 u .t.6 8 10 11
Exemplo com fatia de tempo igual a 2 u.t.:
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Escalonamento circular Especialmente projetado para uso em sistemas de tempo compartilhado
Fatia de tempo é chamada de time-slice ou quantum
o Em geral, varia de 10 a 100 ms, dependendo do SO
o Se o quantum for muito grande, comportamento será semelhante à política FIFO
o Se quantum for muito pequeno, desempenho será comprometido pelo número excessivo de preempções e conseqüentes atrasos para troca de contexto
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Escalonamento circular Principal vantagem é impedir o monopólio da CPU por algum processo
o Tempo máximo de CPU igual ao time-slice definido no sistema
Processos CPU-bound levam vantagem em relação a processos I/O-bound
o Processos I/O-bound têm mais chance de entrar no estado de espera antes de usarem todo o time-slice
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Escalonamento circular virtual
Preem p ção po r tem p o
U C P
Estado d eC r iação
Fila do s pro cesso s n o estad o d e Pron to
Estado d eTérm ino
Estado d eEsp era
Fila au xi lia r
Refinamento do escalonamento circular, visa reduzir desbalanceamento entre processos I/O e CPU-bound
o Processos que saem do estado de espera vão para uma fila de pronto auxiliar e preferencial
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Escalonamento circular virtual Processos na fila de pronto serão escalonados apenas se a fila preferencial (auxiliar) estiver vazia
Fatia de tempo para processos escalonados a partir da fila preferencial calculada de forma diferenciada
o Time-slice do sistema menos tempo de CPU que o processo usou da última vez que foi escalonado a partir da fila de pronto
Ou seja, o tempo que faltava para o processo usar todo o time-slice no momento que este foi para o estado de espera
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Escalonamento por prioridades
Escalonamento preemptivo com base na prioridade de execução de cada processo
o Processos são organizados em filas separadas de acordo com seu nível de prioridade
o Processos são escalonados somente quando as filas dos processos de maior prioridade estiverem vazias
o Processos com mesmo nível de prioridade são escalonados segundo uma política FIFO
Não existe conceito de time-slice, não há preempção por tempo e sim por prioridade
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Escalonamento por prioridades
U C P
Estado d eTérm ino
Fila s do s p ro cesso s n o estad o d e Pro n to
Pr io r id ad e P1
Pr io r id ad e P2
Pr io r id ad e Pn
Estado d eC r iação
Estado d eEsp era
Preem p ção po r p r io r id ad e
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Escalonamento por prioridades
Processo A
Processo B
Processo C
3 13 17 u .t.
ProcessoTem p o d e
p rocessa do r(u .t.)
A
B
C
10
4
3
Pr io r id ad e
2
1
3
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Escalonamento por prioridades
Implementação através de interrupção de clock, a intervalos de tempo determinados, para que o escalonador verifique as filas de prioridade
Também pode ser implementado de forma não-preemptiva:
o Processos com prioridade maior vão para o início da fila de pronto, sem causar preempção de processos com menor prioridade
Cada SO implementa sua faixa de valores para as prioridades de execução
o P/ex., no OpenVMS, de 0 a 31; no AIX, de 127 a 0
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Escalonamento por prioridades
Prioridade de execução do processo definida em seu contexto de software, podendo ser estática ou dinâmica
o Prioridade dinâmica pode ser ajustada ao longo da existência do processo segundo critérios do SO
Permite ajustar critérios de escalonamento em função do comportamento dos processos
Principal problema: possibilidade de Starvation!
o Processos com baixa prioridade podem nunca ser escalonados
o Uma solução é o aging: aumentar gradativamente prioridade de processos há muito na fila de pronto
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Escalonamento por prioridades
Útil em sistemas de tempo real
Útil para aplicações de controle de processos
Útil para priorizar processos em sistemas de tempo compartilhado
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Escalonamento circular com prioridades
Implementa conceito de fatia de tempo junto com prioridade
o Processo em execução pode sofrer preempção por tempo ou por prioridade
o Permite melhor balanceamento no uso da CPU
o Amplamente usado em sistemas de tempo compartilhado
o **Não** evita o starvation
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Escalonamento circular com prioridades
U C P
Estado d eTérm ino
Fila dos processos n o estad o d e Pron to
Pr io r id ad e P1
Pr io r id ad e P2
Pr io r id ad e Pn
Estado d eC r iação
Estado d eEsp era
Preem p ção po r tem p o o u pr io rida de
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Escalonamento por múltiplas filas
Ou Multilevel Queue Scheduling
o Diversas filas de pronto, cada qual com sua prioridade específica
o Processos associam-se às filas de acordo com suas características
Se dá na criação do processo e assim permanece até seu término
o Mecanismos de escalonamento distintos para cada fila
o Prioridade não está associada ao processo, mas sim à fila
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Escalonamento por múltiplas filas
U C P
Fila de p rocessos d o sistem a
Fila de p rocessos in tera tivos
Fila de p rocessos b a tch
M a io rp rio r id ade
M eno rp rio r id ade
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Escalonamento por múltiplas filas com realimentação
Ou Multilevel Feedback Queues Scheduling
o Semelhante ao MQS, porém processos podem trocar de fila durante seu processamento
Este ajuste é denominado mecanismo adaptativo
o Filas implementam FIFO com fatia de tempo, excetuando a de menor prioridade, que implementa fila circular
Quanto maior a prioridade, menor o time-slice
o Preempção por fatia de tempo joga processo para fila com prioridade imediatamente menor
o Na criação, processos vão para fila mais prioritária
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Escalonamento por múltiplas filas com realimentação
U C P
Fila 1 (FIFO A da ptad o )
Preem p ção po r tem p o
Fila 2 (FIFO A da ptad o )
Preem p ção po r tem p o
Fila 3 (FIFO A da ptad o )
Preem p ção po r tem p o
Fila n (C ircu la r)
Preem p ção po r tem p o
Men
or
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Escalonamento por múltiplas filas com realimentação
Complexo, mas bom para processos I/O-bound
o Ficam mais tempo nas filas de maior prioridade já que sofrem poucas preempções por tempo
Muito tempo no estado de espera, pouco tempo no estado de execução
Processos CPU-bound tendem a ser direcionados para filas com menor prioridade
o Quanto maior o tempo de CPU, menor sua prioridade
o Mudança de comportamento para I/O-bound compromete o desempenho
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Escalonamento em Sistemas de Tempo Compartilhado
Sistemas de tempo compartilhado caracterizam-se pelo uso de processamento interativo
o Usuários exigem tempos de resposta baixo para as aplicações
o Política de escalonamento deve considerar compartilhamento eqüitativo de recursos, principalmente do tempo de CPU
o Maioria dos SOs de tempo compartilhado utiliza escalonamento circular com prioridades dinâmicas
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Escalonamento FIFO (exemplo)
Pro cesso A
Pro cesso B
u .t.277E/
S d
e A
11
E/S
de
B
19
E/S
de
A
21
E/S
de
B
Pro cessoTem p o d e
p rocessa do r(u .t.)
A
B
21
6
C aracter ística
C PU - b ou nd
I / O - b ou nd
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Escalonamento circular (exemplo)
Pro cessoTem p o d e
p rocessa do r(u .t.)
A
B
15
10
C aracter ística
C PU - b ou nd
I / O - b ou nd
Pro cesso A
Pro cesso B
u .t.Pr
eem
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B
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Escalonamento circular com prioridades (exemplo)
Pro cesso A
Pro cesso B
u .t.E/
S d
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12
E/S
de
B
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E/S
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A
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po
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18
E/S
de
B
20
Pre
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po
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e A
24
E/S
de
B
27
UC
P liv
re
Pro cessoTem p o d e
p rocessa do r(u .t.)
A
B
12
13
C aracter ística
C PU - b ou nd
I / O - b ou nd
Pr io r id a d e
Ba ixa
A lta
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Escalonamento em Sistemas de Tempo Real
Sistemas onde certas aplicações exigem respostas imediatas para a execução de determinadas tarefas
o SO de tempo real deve garantir a execução de processos dentro de limites rígidos de tempo
Ex: controle de tráfego aéreo, controle de processos industriais
o Escalonamento deve considerar importância relativa de cada processo (tarefa)
o Escalonamento por prioridades estáticas é o mais adequado
o Não deve haver preempção por tempo!
