Multiprocessamento. Escalonamento de Processos: Algoritmos. Escalonamento em POSIX. Escalonamento de Threads. Padrão de Execução dum Processo

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1 Sumário Multiprocessamento. Escalonamento de Processos: Algoritmos. Escalonamento em POSIX. Escalonamento de Threads. 1 Padrão de Execução dum Processo Processos (e threads) alternam: execução de instruções; realização de operações de entrada/saída. De acordo com a duração dos intervalos de execução de instruções, um processo pode ser classificado em CPU-bound (a) ou IO-bound (b) (a) Long CPU burst Short CPU burst Waiting for I/O (b) Time 2

2 Multiprocessamento A generalidade dos SOs é multiprocesso: enquanto um, ou mais processos realizam operações de entrada/saída; outro processo pode executar instruções. Obtém-se uma maior utilização dos recursos dum computador. 3 Sumário Multiprocessamento. Escalonamento de Processos: Algoritmos. Escalonamento em POSIX. Escalonamento de Threads. 4

3 Escalonamento de Processos Problema: quando há mais de um processo em condições de execução (estado ready), qual o processo a executar? running 1 ready waiting Solução: o SO, mais precisamente o scheduler, executa um algoritmo de escalonamento para decidir. I.e., o escalonador determina a que processo deve ser atribuído o CPU. 5 Escalonamento Preemptivo vs. Não-preemptivo Um algoritmo de escalonamento diz-se não-preemptivo, se, uma vez na posse do CPU, um processo executa até o (ao CPU) libertar voluntariamente. Quase todos os algoritmos de escalonamento têm duas versões: uma preemptiva outra não. Algoritmos não-preemptivos têm problemas graves: certas classes de processos executam durante muito tempo até bloquear; um utilizador egoísta pode impedir que o computador execute processos de outros utilizadores. Praticamente todos os sistemas operativos usam algoritmos preemptivos: O SO usa as interrupções do relógio para retirar o CPU ao processo em execução. 6

4 Critérios para um Bom Algoritmo de Escalonamento Equidade: dar oportunidade a todos os processos para progredir. Equilíbrio: na utilização dos recursos. Satisfação da política escolhida: Sistemas interactivos: tempo de resposta; previsibilidade. Sistemas de tempo-real: cumprir prazos; determinismo. Sistemas não-interactivos: débito; utilização do CPU. 7 Algoritmo Round-Robin Quando um processo passa para o estado de execução, o SO atribui-lhe a posse do CPU por um intervalo de tempo fixo: quantum. A comutação de processos realiza-se: ou quando o processo em execução bloquear; ou quando o quantum expirar. Qual o valor dum quantum? compromisso tempo-de-resposta/utilização-do-cpu: a comutação de processos leva algum tempo; Unix/Linux usa um valor de ms, que se mantém inalterado há mais de 20 anos!!! Algumas vantagens deste algoritmo são: fácil de implementar (como?); equitável (mais uma característica). 8

5 Escalonamento Baseado em Prioridades Problema por vezes, alguns processos são mais iguais do que os outros. Solução atribuir uma prioridade a cada processo. Quando da comutação de processos, o processo pronto a executar com maior prioridade passa para o estado de execução. As prioridades podem ser atribuídas estática ou dinamicamente. Potencial problema: inanição (starvation): Os processos de mais baixa prioridade podem nunca ser seleccionados para executar. 9 Escalonamento em BSD-Unix Cada processo tem uma prioridade. Processos são agrupados em classes com base na sua prioridade: o escalonamento entre classes é baseado em prioridades; o escalonamento numa classe usa round-robin. q headers prior. 4 prior. 3 prior. 2 prior. 1 Para evitar inanição de processos de prioridade mais baixa: sempre que um processo executa até ao fim do seu quantum, a sua prioridade diminui. 10

6 Lottery Scheduling É um algoritmo probabilístico: atribuir um conjunto de bilhetes numerados a cada processo; gerar um número aleatório; o processo que tiver o número sorteado, é aquele a que é atribuido o CPU. Extremamente simples, e permite alocar o CPU duma forma previsível, em termos probabílisticos. Um processo que está à espera de outro, pode passar-lhe os seus bilhetes.? Particularmente útil para aplicações multimédia, que têm requisitos de CPU bem determinados (p.ex., a voz tem que ser amostrada com uma determinada frequência...) 11 Rate-monotonic Scheduling Assume processos periódicos, cada um deles: de período igual ao prazo (deadline); com um tempo de execução. É de facto um algoritmo de atribuição de prioridades estáticas: quanto mais curto é período maior é a prioridade. Tem propriedades matemáticas que o tornam apropriado para sistemas hard real-time. O algoritmo original (1973) impôe sérias restrições, mas desenvolveram-se técnicas que permitem ultrapassar a maioria delas. 12

7 Shortest Job First (Batch Processing) Pressupõe que o tempo de execução de cada processo é conhecido a priori; se todos os processos estiverem prontos a executar na mesma altura, então este algoritmo assegura o máximo turnaround, i.e. o mínimo tempo médio para terminar um processo: sejam 4 processos com tempos de execução:,, e, executados por essa ordem; então o tempo médio para terminá-los será: o qual é mínimo se 13 Mecanismos vs. Políticas Observação: Não é possível agradar a gregos e a troianos. : O SO não conhece as necessidades das aplicações suficientemente para tomar as decisões mais apropriadas. Ideia: oferecer os utensílios e permitir que os seus utilizadores os usem da maneira que acharem conveniente. O SO oferece os mecanismos: algoritmos de escalonamento parametrizáveis. Os processos seleccionam as políticas: i.e. o algoritmo e os valores dos seus parâmetros. 14

8 Escalonamento em POSIX (Linux) POSIX define 3 políticas de escalonamento: SCHED FIFO preemptivo, baseado em prioridades estáticas; SCHED RR semelhante a SCHED FIFO mas com quanta; SCHED OTHER algoritmo não especificado, i.e. dependente da implementação. O escalonador é baseado em prioridades. A política de escalonamento especifica: quando os processos passam do estado run para o estado ready; onde é que são inseridos na ready-list de processos com a mesma prioridade. 15 Escalonamento em POSIX (Linux) (cont) SCHED FIFO e SCHED RR foram especificados para aplicações de tempo-real. A sua prioridade é sempre superior à de processos com política SCHED OTHER. Em Linux, SCHED OTHER é um algoritmo semelhante ao de BSD-Unix, embora os pormenores sejam ligeiramente diferentes. (Para mais informação veja man 2 sched setscheduler.) Estas políticas de escalonamento podem também ser atribuídas a threads através de funções de libpthread: int pthread_setschedparam(pthread_t tid, int policy, struct sched_param *param): 16

9 Sumário Multiprocessamento. Escalonamento de Processos: Algoritmos. Escalonamento em POSIX. Escalonamento de Threads. 17 Order in which threads run Escalonamento de Threads User-level vs. kernel-level Process A Process B Process A Process B 2. Runtime system picks a thread Kernel picks a process 1. Kernel picks a thread Possible: A1, A2, A3, A1, A2, A3 Not possible: A1, B1, A2, B2, A3, B3 (a) Quantum de cada processo de 50 ms. Cada thread executa em bursts de 5 ms. 18 Possible: A1, A2, A3, A1, A2, A3 Also possible: A1, B1, A2, B2, A3, B3 (b)

10 Modos de Partilha do CPU em libpthread libpthread suporta 2 modos da partilha do CPU: PTHREAD SCOPE PROCESS threads disputam o CPU apenas com outros threads do processo em execução: user-level threads implica este modo de escalonamento. PTHREAD SCOPE SYSTEM threads disputam o CPU com todos os threads no sistema impossível de implementar com user-level threads: SO não conhece todos os threads em execução; modo natural quando se usa kernel-level threads. Note-se que este atributo pode ser configurado por cada thread, usando pthread attr setscope(). Linux suporta apenas PTHREAD SCOPE SYSTEM. 19