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1 PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 2 Fernando Silva DCC-FCUP 2 (Alguns dos slides são baseados nos de Kathy Yelick, yelick) Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 3 1 / 21

2 Objectivo do Scheduling Os conceitos de balanceamento de carga e de scheduling são muito próximos e, normalmente, usam-se com o mesmo significado. O objectivo de uma estratégia de scheduling é maximizar o desempenho de sistema paralelo, transferindo tarefas de processadores mais sobrecarregados para outros que estejam mais leves. Uma estratégia de scheduling envolve duas decisões importantes: determinar quais as tarefas que podem ser executadas em paralelo, e determinar onde executar as tarefas paralelas A tomada de decisão é normalmente feita com base ou em conhecimento prévio ou em informação em tempo de execução. Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 4 2 / 21

3 Dificuldades para o Scheduling O desenho de uma estratégia de scheduling depende das propriedades das tarefas: Custos das tarefas têm todas as tarefas o mesmo custo? se não têm, quando são esses custos conhecidos? antes da execução, quando a tarefa é criada, ou apenas quando termina? Dependências entre tarefas as tarefas podem ser executadas em qualquer ordem? se não podem, quando são conhecidas as dependências? antes da execução, quando a tarefa é criada, ou apenas quando termina? Localidade é importante que algumas tarefas executem no mesmo processador (ou próximo deste) para reduzir custos de comunicação? quando é que se conhece a informação sobre comunicação? Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 5 3 / 21

4 Custo de Tarefas Scheduling de um conjunto de tarefas nos casos seguintes: Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 6 4 / 21

5 Dependências entre tarefas Scheduling de um grafo tarefas nos casos seguintes: Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 7 5 / 21

6 Localidade de tarefas Scheduling de um conjunto de tarefas nos casos seguintes: Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 8 6 / 21

7 Soluções de Scheduling Scheduling Estático - as decisões são tomadas em tempo de compilação. análise estática de programas para estimar tamanho das tarefas; esta informação é difícil de obter e geralmente incompleta. mapeamento estático da árvore de pesquisa na arquitectura paralela (mapeamento óptimo é NP-completo). construção de um grafo dirigido com os nós a representarem tarefas e as ligações representarem dependências nos dados ou comunicação; determinar ordem de execução que minimize o tempo de execução. Scheduling Dinâmico (ou partilha adaptativa de trabalho) - faz uso de informação do estado da computação em tempo de execução, para tomar decisões. Exemplo: verifica a carga dos processadores para assegurar um balanceamento de carga dinâmico nos processadores. Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 9 7 / 21

8 Porquê Scheduling Dinâmico? Para uma grande classe de problemas, o seu espaço de soluções corresponde a uma árvore de procura. Estes problemas são frequentemente: computacionalmente exigentes admitem muitas estratégias diferentes de paralelização requerem balanceamento dinâmico de carga Exemplos: enumeração de sub-grafos de tamanho k de um dado grafo procura de padrões em redes sociais ou biológicas problema da colocação das rainhas num tabuleiro problemas divide-and-conquer e branch-and-bound árvore de execução do Prolog Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 10 8 / 21

9 Árvore de procura a árvore é construída dinamicamente durante ou com a execução podem ter sub-problemas comuns em caminhos diferentes Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling 11 9 / 21

10 Procura em paralelo Considere-se: uma pesquisa DFS da árvore scheduling estático: enquanto houver processadores não ocupados, atribuir a próxima nova tarefa. Podemos e devemos fazer melhor! Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

11 Estratégias de Scheduling Dinâmico As estratégias de scheduling dinâmico podem ser: centralizadas assumem um scheduler central que reúne informação sobre todo o sistema, nomeadamente carga, e toma as decisões de transferência de tarefas. funciona bem num sistema de memória partilhada, mas com um número de processadores reduzido. é ineficiente num sistema de memória distribuída, pois requer muita comunicação para manter o scheduler com informação actualizada. distribuídas existe um scheduler por processador que tomam decisões autónomas sobre partilha de trabalho. o objectivo é manterem o seu processador ocupado e balancear a carga no sistema. Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

12 Scheduling Centralizado O scheduler tem uma fila única de tarefas 1. responde a pedidos dos processadores (ou workers), ou 2. os workers acedem autonomamente à fila, sincronizando através de locks Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

13 Master-Worker Estratégia centralizada em sistemas de memória distribuída Decisão de distribuíção de tarefas concentrada no master-worker Workers executam ciclo: pedir trabalho receber trabalho executar trabalho enviar resultado Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

14 Questões com a estratégia centralizada Evitar contenção no acesso à fila de tarefas partilhada Suponha que as tarefas correspondem a um intervalo de índices de um ciclo (iterações independentes). Seja K o tamanho da tarefa: Se K for grande, reduz-se contenção no acesso à fila. Se K for pequeno, simplifica-se o balanceamento de carga. Ideias: Usar tarefas maiores no início (maior número de índices) para evitar overhead excessivo e menores mais próximo do fim. No acesso de ordem i à fila, seleccionar uma tarefa com tamanho R i /p, onde R i é número total de tarefas em sobra e p é o número de processadores. O tamanho K i é função do trabalho sobrante, mas também da variância do custo da tarefa. a variância é estimada usando informação histórica variância elevada tamanhos menores variança baixa tamanhos maiores Enquadrar diferenças de processamento. Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

15 Filas distribuídas de tarefas (ou Work-Pools) Extensão natural para sistemas distribuídos, mas também para memória partilhada. Permite que workers sem trabalho tomem a iniciativa de procurar trabalho, ou que workers ocupados possam partilhar tarefas. São úteis quando se está com um sistema de memória distribuída existe muita sincronização ou muitas tarefas pequenas Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

16 Scheduling Distribuído As decisões de partilha podem ser: sender initiated (ou work distribution)- os workers mais ocupados, procuram outros menos ocupados para lhe atribuir tarefas. melhor para pequenas cargas. receiver-initiated (ou work-stealing) - os workers que ficam sem trabalho, procuram um worker com muito trabalho e pede para partilhar. melhor para grandes cargas do sistema. Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

17 Como seleccionar um worker a quem pedir trabalho Round-robin: targetk = (target k + 1) mod procs. polling/stealing aleatório Quando um processador precisa de trabalho, selecciona aleatoriamente um processador e envia-lhe um pedido. repete último: por questões de localidade pode haver vantagem voltar a pedir ao último worker, se este não tiver trabalho, passa a um dos esquemas anteriores. Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

18 Como dividir trabalho? Número de tarefas a distribuir? Dividir a meio? Quais as tarefas: topmost: tarefas do início da fila (mais antigas) bottomost: tarefas do fim da fila (mais recentes) Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

19 Estratégias de partilha 1/2 Sender-initiated Quando um worker gera uma nova tarefa, o seu scheduler procura o processador mais livre e atribui-lhe a tarefa para execução. Se não for bem sucedido, guarda na fila local. Receiver-initiated As tarefas geradas por workers são colocadas sempre na sua fila local. Quando um worker procura uma tarefa para execução, o scheduler procura primeiro na sua fila local. Se estiver vazia, então procura uma tarefa fora (também referido por work-stealing). Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

20 Estratégias de partilha 2/2 Adaptative I Combina as estratégias sender-initiated e receiver initiated. Os workers são classificados como Senderds ou Receivers mediante o valor de um parâmetro Threshold. Um worker é sender se o númerod e tarefas na sua fila estiver acima do threshold, será receiver no caso contrário. Adaptative II Melhora a heurística Adaptative I, introduzindo dois parâmetros Low e High para classificar os workers como Senders, Receivers ou Neutrals. Um worker muda dinamicamente o seu comportamento, função da quantidade de trabalho na sua fila: #tasks < high comportamento sender #tasks < low comportamento receiver neutral se low #tasks high Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

21 Exemplo da evolução das filas de tarefas Fernando Silva (DCC-FCUP) PPD: Balanceamento de Carga e Scheduling / 21

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