Sistemas Operacionais
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- João Lucas Rico de Barros
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1 Introdução Sistemas Operacionais Gerência do processador (Escalonamento) Aula 05 Objetivos de um sistema operacional são: Eficiência: relação entre o uso efetivo de um recurso e a quantidade desse recurso disponível no sistema para uso Conveniência: qualidade de serviço prestado ao usuário Não interferência É comum o compromisso entre eficiência e conveniência Duas visões: uma do usuário (conveniência), outra do sistema (eficiência) Deve ser eficaz: implica cuidar da eficiência sem esquecer da conveniência Noção de escalonamento de recursos Processador, memória e dispositivos de E/S Escalonamento vale tanto para processos como para threads Sistemas Operacionais 2 Escalonamento Níveis de escalonamento Conceito genérico: Ação de selecionar a próxima requisição a ser atendida por um serviço Cinco eventos: chegada, admissão, seleção, preempção e conclusão Criação Erro! Controle de multiprogramação Longo prazo chegada Escalonador admissão Fila de espera preempção seleção Recurso Existem diferentes níveis de escalonamento de processos Curto prazo: gerência do processador Médio prazo : gerência de memória Longo prazo : controle de admissão (grau de multiprogramação) suspenso Bloqueado suspenso Médio prazo Gerência do memória ( ) dispatcher cedência Gerência do processador execução Curto prazo Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4
2 Escalonador de curto prazo Gerência do processador Escalonamento curto prazo Processo de seleção de qual processo (thread) no estado usará a Algoritmo de escalonamento: COMO a escolha é feita Despachante (dispatcher): responsável pela troca de contexto Latência: tempo para parar um processo e iniciar o próximo P 1 P 2 Modo núcleo Salva contexto Salva contexto de P 1 Escalonador de P 2 Despachante (política) Despachante recupera contexto de P 1 Sistemas Operacionais recupera contexto de P 2 5 dispatcher P 1 Cedência execução Modo usuário livre O escalonador é executado QUANDO um processo é criado* de vai para de retorna para de passa para * termina a execução Conceito de preempção Retirada involuntária (cedência) de um processo do estado Pode ser por tempo ou por prioridade Escalonadores preemptivos e não preemptivos (cedência voluntária) Sistemas Operacionais 6 Cedência *se o escalonador for preemptivo por prioridade QUEM chama o escalonador? Objetivos gerais do escalonamento Interrupção de software (chamada de sistema) Término Liberação voluntária da Operação de E/S Primitiva de Interrupção de hardware Tempo Conclusão da operação de E/S Escalonadores Não preemptivo ou cooperativo: apenas via interrupção de software Preemptivo: interrupção de software e interrupção de hardware Sistemas não interativos (em lote ou batch) Maximizar o número de tarefas por unidade de tempo (vazão ou throughput) Minimizar o tempo entre submissão e (tempo de retorno ou turnaround) Minimizar o tempo no estado (tempo de espera ou waiting time) Manter a ocupada a maior parte do tempo Sistemas interativos Responder rapidamente as requisições (tempo de resposta ou response time) Satisfazer as expectativas dos usuários (proporcionalidade, ou seja, tempo esperado para executar uma tarefa) Sistemas de tempo real Cumprir prazos no atendimento de eventos Previsibilidade ou determinismo Ainda: Justiça Respeitar políticas locais Equilibrio Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8
3 Ciclo de e ciclo de E/S Algoritmos de escalonamento Processo realiza ciclos de e de E/S na sua execução Classificação de acordo com a duração relativa desses ciclos Limitado por ( bound): possui longos ciclos de uso da Limitado por E/S (I/O bound): possui curtos ciclos de uso da e faz E/S Objetivo é mesclar adequadamente processos bound e I/O bound Sucesso do escalonador Uso eficiente do processador e dos recursos de E/S (sobreposição dos ciclos) P i E/S P J (espera) E/S E/S Algoritmos básicos de escalonamento First Come, First Served Shortest Job First Por prioridade Round-Robin Múltiplas filas e múltiplas filas com realimentação Há outros Variações e combinação dos algoritmos básicos Tempo real (fora do contexto da disciplina) Sistemas Operacionais 9 Sistemas Operacionais 10 First Come, First served (FCFS) Exemplo: First-Come, First-Served (FCFS) Implementado por uma fila em política FIFO Processos que entram em são postos no final da fila Seleciona para execução o processo que está na frente da fila Escalonador do tipo não preemptivo Vantagens e desvantagens Simples de implementar Tempo médio de espera variável Efeito comboio Processos I/O bound esperam (em ) por um bound Subutilização de I/O Processos saem do e esperam sua vez no estado Ordem de chegada: P 1, P 2, P 3 0 Processo Ciclo P 1 24 P 2 3 P 3 3 P 1 P 2 P Tempo de espera : P 1 = 0; P 2 =24; P 3 =27 Tempo médio: ( )/3 = 17 Ordem de chegada: P 2, P 3, P 1 0 P 2 P 3 P Tempo de espera : P 1 = 6; P 2 =0;P 3 =3 Tempo médio: ( )/3 = 3 Sistemas Operacionais 11 Sistemas Operacionais 12
4 Shortest Job First (SJF) Exemplo: Shortest Job First (não preemptivo) Empregado em sistemas de lote (batch) antigos Tarefa (job): pacote fechado (processamento e E/S) Ordena crescentemente a lista de s pela duração da tarefa É um tipo de prioridade Pode ser não preemptivo ou preemptivo Depende o que acontece com a tarefa que chega no com uma duração menor do que a tarefa que está usando o processador Versão preemptiva: Shortest Remaining Time First (SRTF) Vantagens e desvantagens Algoritmo ótimo (tempo de espera) Conhecer previamente a duração da tarefa Processo Chegada Duração tarefa Não preemptivo 0 P P P P P 1 P 2 P Tempo médio de espera: =(0+ (8-1) + (12-3) + (17-2))/4 = 7,75 P 3 Preemptivo P 1 P 2 P 4 P 1 P Tempo médio de espera: =(0+(1-1)+(5-3)+(10-1)+(17-2))/4 = 6.5 Sistemas Operacionais 13 Sistemas Operacionais 14 Evolução do Shortest Job First Prevendo o futuro... Um processo tem ciclos de e de E/S Ordenar a lista de s baseado no ciclo de, não na duração total Vantagem sobrepor processamento com operações E/S (multiprogramação) Estratégia é ordenar crescentemente a lista de s em função do próximo ciclo de Seria algo do tipo Shortest Next burst Desvantagem continua como conhecer o ciclo futuro de uso do processador? Solução possível Fazer estimativa de uso futuro baseado no comportamento passado Pode ser feito utilizando os tempos de ciclos já passados e realizando uma média exponencial Medido (real) Forma simplificada: Tempo_futuro_estimado = tempo_ultimo_ciclo + tempo_passado Fator fornece importância para o passado recente (último ciclo) ou para a história (ciclos passados) Sistemas Operacionais 15 Sistemas Operacionais 16
5 Exemplo de previsão do futuro Escalonamento por prioridade Ciclo real Ciclo de : Real: Parâmetros: =0.5 0 =10 Previsto: (valores truncados) Previsto n Previsto n+1 Prioridade é um valor numérico usado para ordenar processos Não há regra fixa para interpretar se menor valor é maior ou menor prioridade Em caso empate usa um critério de desempate (tie-break) Prioridade definida de forma Externa: fixa,ou estática, via programa ou configuração Interna: dinâmica, em função de consumo de recursos Pode ser não preemptivo ou preemptivo Depende do que é feito quando processo de maior prioridade chega no Problema com prioridades: inanição (starvation) Solução paliativa: envelhecimento (agging) Aumento (incremental) temporário de prioridade até processo ser executado, após execução retorna a prioridade original Sistemas Operacionais 17 Sistemas Operacionais 18 Exemplo: por prioridade Round Robin (RR) Processo Ciclo Prioridade P P P P P Menor valor, maior prioridade Tempo médio de espera: =( )/5 = 8,2 FCFS com preempção por tempo Implementação por uma fila circular (política FIFO) Cada processo recebe um tempo máximo para usar a Fatia de tempo (quantum ou time slice) Ao terminar o quantum é retirado da e volta a fila de s Problema: dimensionamento do quantum q q : degringola para política FCFS (FIFO) q 0 : excesso de chaveamento de contexto (perda de eficiência) Eficiência versus conveniência Sistemas Operacionais 19 Sistemas Operacionais 20
6 Dimensionamento do quantum Exemplo: Round Robin Eficiência q >> e q q q e N *(q + e) e... e Processo Ciclo P 1 24 P 2 3 P 3 3 quantum = 4 Conveniência q e q = quantum; e = escalonador + dispachter N *(q + e) q q... q e e e Solução: quantum variável Tempo médio de espera: =( )/3 = 5,66 Sistemas Operacionais 21 Sistemas Operacionais 22 Escalonamento multinível Escalonamento multinível com realimentação Quando os processos podem ser classificados em grupos Exemplo: foreground x background; interativos x tempo real, sistema interativos x batch... Cada grupo é associado a uma fila Prioridades diferentes Busca um processo da primeira fila de mais alta prioridade não vazia Cada fila pode ter uma política diferente Pode ser não preemptivo ou preemptivo Não é propriamente uma política Fila 0 Término Dispatch Prioridade 0 Fila 1 Prioridade 1 Fila n Prioridade n Preempção Fila de s Espera por evento Baseado em prioridades dinâmicas Pode ser preemptivo ou não preemptivo Aspectos a definir Quantidade de filas Algoritmo de escalonamento por fila Método para fazer o upgrade e o downgrade da prioridade Fila de entrada do processo Fila 0 Término Dispatch Prioridade 0 Fila 1 Prioridade 1 Fila n Prioridade n Preempção Fila de s Espera por evento Sistemas Operacionais 23 Sistemas Operacionais 24
7 Um ajuste a ser feito... Leituras complementares Escalonamento por fração justa (fair share) Um escalonador deve ser justo com os usuários do sistema Tomar decisões baseados só em processos leva a injustiças Ex: usuário 1 com 9 processos e usuário 2 com 1 processo. O usuário 1 potencialmente usaria 90% do processador. Solução: Considerar o proprietário do processo como parte do procedimento da política de escalonamento Dois usuários devem receber 50% do processador independente do número de processos que cada um deles detém A. Tanenbaum. Sistemas Operacionais Modernos (3 a edição), Pearson Brasil, Capítulo 2: seção 2.4 A. Silberchatz, P. Galvin; Sistemas Operacionais com Java. (7 a edição). Campus, Capítulo 5 (seções 5.1 a 5.5) R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani; Sistemas Operacionais. Editora Bookman 4 a edição, 2010 Capítulo 4 (seções 4.4 e 4.5) Sistemas Operacionais 25 Sistemas Operacionais 26
Sistemas Operacionais
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