Sistemas Operativos. Escalonamento e sincronização. Rui Maranhão

Transcrição

1 Sistemas Operativos Escalonamento e sincronização Rui Maranhão (rma@fe.up.pt)

2 Benefícios da Multiprogramação maximiza o tempo de utilização do CPU utilização do CPU = 1 - p n n é o número de processos p fracção de tempo em espera por I/O

3 Políticas de escalonamento processos competem por recursos a política depende dos objectivos do sistema as políticas visam conveniência: redução dos tempos de resposta, sendo justo para os processos eficiência: débito e max utilização do CPU

4 Critérios de escalonamento IO-bound ou CPU-bound interactivo ou não urgência de resposta (tempo real) comportamento recente necessidade de periféricos especiais por prioridade

5 Estados de um processo em execução foi-lhe atribuído CPU bloqueado o processo está logicamente impedido de prosseguir, porque lhe falta um recurso do ponto de visto do SO, transição voluntária pronto a executar, aguarda escalonamento

6 Primitivas de despacho bloqueia(evento) coloca processo na fila de processos parados à espera do evento invoca próximo processo liberta(evento) ou liberta(processo, evento) se processo não esta a espera de mais eventos, coloca-o na lista de espera

7 Primitivas de despacho próximo_processo() selecciona um dos processos existentes na lista de processos prontos a executar executa a comutação de contexto salvaguarda contexto volátil do processo corrente carrega contexto do processo escolhido

8 Principais decisões Qual o próximo processo? Quando começa a executar? Durante quanto tempo?

9 Escalonamento de processos Se, após lhe ser atribuído o CPU, nunca mais lhe for retirado escalonamento cooperativo (non-preemptive) ex., windows 3.1, co-rotinas, thread_yield() se o CPU lhe for retirado escalonamento com desafectação forçada ou preemptive

10 Escalonamento de processos escalonamento cooperativo sensível as variações de carga escalonamento com desafectação forçada sistema responde melhor comutação de contexto é cara

11 Escalonamento longo-prazo (segundos, minutos) e de curtoprazo (milisegundos) CPU-bound: faz pouco uso de I/O; requer muito processamento I/O-bound: faz muito uso de I/O

12 Escalonamento os processos prontos são seriados numa fila (ready list) lista ligada de apontadores para process control block lista pode estar ordenada por prioridades

13 Escalonamento quando um processo é escalonado, é retirado da ready list e posto a executar o processo pode perder o CPU aparecer um com maior prioridade pedido de I/O (bloqueado) o quantum expira (pronto)

14 Escalonamento pretende-se maximizar a utilização do CPU tendo em atenção tempo de resposta de aplicações interactivas utilização de dispositivos I/O justiça na distribuição de tempo de CPU

15 Escalonamento Quando escalonar um processo? quando um processo passa de a-executar a bloqueado quando um processo passa a pronto quando se termina uma operação I/O quando um processo termina

16 Escalonamento diferentes algoritmos de escalonamento favorecem diferentes optimizações tempo de resposta máxima utilização de CPU

17 Objectivos dos algoritmos de escalonamento em geral equidade, balanceado e forçar que as regras impostas pelo algoritmo são respeitadas sistemas de batch thoughput, turnaournd time, maximizar utilização do CPU

18 Objectivos dos algoritmos de escalonamento sistemas interactivos tempo de resposta e proporcionalidade sistemas de tempo real tempos de resposta estão pré-definidos, previsibilidade

19 Algoritmos FCFS (first come, first served) SJF (shortest job first) SRTF (shortest remaining time first) preemptive priority scheduling RR (round-robin) outros algoritmos: lotaria, promessas

20 FCFS a ready list é uma fila FIFO o processo é colocado no fim da fila e seleccionado o da frente método cooperativo nada apropriado para ambientes interactivos

21 FCFS tempo de espera com grandes flutuações dependendo da ordem de chegada e das características dos processos simplicidade de implementação

22 SJF escalonar processo mais curto primeiro possibilidades desafectação forçada - interrompe o processo em execução se aparecer um mais curto cooperativo - aguarda terminação do processo em execução mesmo que apareça um mais curto

23 SJF não se consegue calcular a priori o tempo de execução dos processos apenas se podem fazer estimativas uma combinação de tempos reais e estimativas para fazer futuras previsões

24 Preemptive priority associa uma prioridade a cada processo a ready queue é uma fila seriada por prioridades escalona sempre o processo de maior prioridade se um processo de maior prioridade aparecer, faz a troca de processos

25 Preemptive priority Problema: míngua (starvation)!! Solução: evelhecimento aumenta a prioridade dos processos pouco a pouco para que sejam executados eventualmente

26 RR dá a cada processo um intervalo de tempo de CPU fixo de cada vez quando um processo esgota o seu quantum retira-o do CPU e volta a colocá-lo no fim da fila ignorando overheads do escalonamento (quais?), cada um dos n processos terá 1/n do tempo disponível de CPU

27 RR se o quantum for muito grande, RR tende a comportar-se como FCFS se o quantum for muito pequeno, então o overhead de mudanças de contexto degrada os níveis de utilização do CPU tempo de resposta melhor que o SJF (o quantum é normalmente o SJ)

28 Avaliação de algoritmos Modelo deterministico definição da carga tipo: ordem de chegada dos processo, tempos de execução, distribuição CPU/IO, etc. e avaliação analítica do desempenho vantagem: simples desvantagem: ajuste dos resultados depende directamente dos dados de entrada (necessários vários cenários)

29 Avaliação de algoritmos Teoria de fila de espera definição de um modelo matemático do sistema e avaliar segundo a teoria de filas de espera desvantagem: muitas simplificações para que o modelo seja tratável

30 Avaliação de algoritmos simulação escrever/adoptar/usar um programa que modele o sistema e analisar o desempenho do algoritmo tentar obter traços do comportamento de sistemas reais desvantagem: tempo de execução longos

31 Sincronização de processos

32 Programação concorrente a possibilidade de execução simultânea leva ao acesso em concorrência a recursos partilhados o acesso concorrente pode ser feito a zonas de endereçamento partilhadas o acesso concorrente pode resultar na incoerência dos dados/resultados

33 Cooperação entre processos vários processos executam em conjunto uma ou mais tarefas, nos quais competem por recursos indicam uns aos outros ausência/existência de recursos ocorrência de acontecimentos

34 Problema da exclusão mútua Qual o problema se for multi-tarefa?

35 Problema da execução concorrente

36 Problema... em linguagem máquina as acções atómicas são mais elementares

37 Programação concorrente para garantir a coerência dos dados é necessário que os processos acedam ordenadamente aos recursos o SO fornece um conjunto de mecanismos que permitem os processos sincronizarem-se

38 Secção crítica em programação concorrente sempre que se testam ou se modificam estrutura de dados: fazê-lo dentro de uma secção crítica!!

39 Secção crítica

40 Secção crítica: Propriedades exclusão mútua progresso (liveness) ausência de deadlocks ausência de míngua (starvation)

41 Secção crítica: Condições As seguintes condições são necessárias para uma solução eficiente só um processo pode estar dentro da secção crítica não se deve assumir valores quanto a velocidade de execução ou #CPUs disponíveis

42 Secção crítica: Condições processos a executar fora da secção crítica não deverá bloquear outros processos nenhum processo deverá esperar indefinidamente para entrar na região crítica

43 Implementações algorítmicas hardware sistema operativo

44 Proposta #1 Qual a propriedade não garantida??

45 Proposta #2 Qual a propriedade não garantida??

46 Proposta #3 Qual a propriedade não garantida?? Porque motivo é garantida a exclusão mútua

47 Proposta #4 Qual a propriedade não garantida??

48 Algoritmo Peterson

49 Conclusões sobre soluções algorítmicas complexas: alta latência só contemplam espera activa solução: introduzir implementações de hardware

50 Soluções com suporte do hardware abrir() e fechar() usam instruções especiais oferecidas pelos processadores inibição de interruptores exchange (xchg no intel IA) test-and-set (cmpxchg no intel IA)

51 Exclusão mútua com inibição de interruptores só deve ser usado dentro do SO em secções críticas de pouca duração inibição das interrupções impede execução de serviços de sistema se o programa não chamar abrir(), as interrupções ficam inibidas e o sistema para

52 Não funciona em multiprocessadores...

53 Problema da atomicidade em multiprocessadores

54 Exclusão mútua com exchange

55 Exchange em multiprocessadores

56 Exclusão mútua com test-and-set

57 Conclusões sobre as soluções de hardware oferecem mecanismos básicos não podem ser usadas por programas em modo utilizador só contemplam espera activa

58 Regiões críticas soluções anteriores não são muito interessantes porque acarretam espera activa remetem o problema para o código fonte só estão disponíveis em kernel mode Objectivo: primitvas genéricas, acessíveis no modo utilizador, fornecendo espera passiva

59 Soluções com suporte do SO Primitivas de sincronização software trap (interrupção SW) comutação para modo núcleo estrutura de dados e código de sincronização pertence ao núcleo usa suporte de hardware (ex., test-and-set) mutex e semáforos

60 Mutex técnica de programação para evitar que processos tenham acesso simultâneo a um recurso partilhado em português: trinco? outra definição?

61 Estrutura de dados

62 Diagrama de estados

63 Funções do mutex

64 Funções do mutex

65 mutex: limitações mutex não são suficientemente expressivos para resolver alguns problemas de sincronização bloquear tarefas se a pilha estiver cheia necessário um controlador de recursos

66 Semáforos

67 Semáforos: Primitivas s = criar_semafaro(num) esperar(s) bloqueia o processo se num <= 0 assinalar(s) se houver processos bloqueados, liberta um, senão num++ primitivas atómicas e podem ser invocadas de processos diferentes

68 Semáforos: Primitivas

69 Exemplo

70 Interface mutex POSIX int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *m, pthread_mutexattr_t *a); int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); int pthread_mutex_timedlock(pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *timeout); Exemplo: pthread_mutex_t count_lock; pthread_mutex_init(&count_lock, NULL); pthread_mutex_lock(&count_lock); count++; pthread_mutex_unlock(&count_lock);

71 Interface semáforo POSIX int sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned value); int sem_post(sem_t *sem); int sem_wait(sem_t *sem); Exemplo: sem_t sharedsem; sem_init(&sharedsem, 0, 1); sem_wait(&sharedsem); count++; sem_post(&sharedsem);

72 Alternativas Outras formas de implementar regiões críticas sleep/wakeup contagem de eventos monitores mensagens

73 Exemplos clássicos de problemas de sincronização

74 Problemas clássicos de sincronização algoritmo do barbeiro algoritmo dos produtores / consumidores jantar dos filósofos algoritmo dos leitores / escritores