Sistemas Operacionais

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1 Introdução Sistemas Operacionais Gerência do processador (Escalonamento na prática) Aula 06 Sistemas atuais tem uma série de particularidades Multiprocessadores e multicore Existência de memória cache Arquiteturas de computadores diferentes (estilo NUMA) Políticas de escalonamento puras não são usadas Combinação entre elas Algumas variações Questões relacionadas com: Cache, afinidade, balanceamento de carga, eficiência, conveniência, sistemas de propósito geral, etc... Sistemas Operacionais 2 Escalonamento em multiprocessadores Novos problemas para o escalonamento Popularização na década de 90 Multiprocessadores assimétricos Um processador executa o sistema operacional, os demais executam aplicações de usuários Vantagens e desvantagens Facilita o controle de acesso a estruturas do núcleo Desperdiça um processador Multiprocessadores simétricos (SMP) Todos processadores executam o sistema operacional e aplicações usuário Vantagens e desvantagens Eficiência Acesso concorrente a estruturas do núcleo Estratégias para a fila de aptos Uma fila única para todos os processadores Uma fila por processador (Efeito colateral: desbalanceamento de carga) Existência de memórias caches Processadores possuem caches para melhorar desempenho Vários níveis de cache e cada vez maiores Escalonar um processo em um processador e depois trocar ele de processador faz com que se invalide uma cache e repovoe outra Arquiteturas NUMA (Non Uniform Memory Access) Fator NUMA : custo de acesso à banco remoto de memória sobre acesso local Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4

2 Afinidade de processador Balanceamento de carga Solução para o problema de caches e acessos em máquina NUMA Manter o processo executando no mesmo processador Duas estratégias básicas Soft affinity: tenta manter o processo no processador Hard affinity: mantém o processo no processador (ou grupo de...) Objetivo é manter todos processadores trabalhando de forma similar Necessário em sistemas que tem uma fila de apto por processador Solução é migração de tarefas (processos ou threads) Duas estratégias de migração Push: existe uma tarefa do sistema que monitora o equilíbrio de carga e redistribui processos nas filas Pull: quando um processador ocioso rouba tarefas da fila de outros processadores O balanceamento de carga pode eliminar a afinidade Solução paliativa: equilibra carga só quando o sistema atingir um nível de desequilibro considerado alto (o que é alto?) Sistemas Operacionais 5 Sistemas Operacionais 6 Processadores multicore Processadores hyperthreaded Processadores com unidades funcionais e de controle replicadas Cada core aparece como uma CPU física real e independente Localização e compartilhamento da memória cache Cache L1: uma para dados, outra para instruções (ordem de dezenas de KB) Cache L2: dados e instruções (de centena de KB a dezenas de MB) Cache L3: dados e instruções (dezenas de MB 4 a 32 MB) 0 L3 L2 0 L2 0 L3 L2 1 Simultaneous MultiThreading (SMT) Não proporciona paralelismo real Aproveita bolhas nos pipelines internos do processador para melhorar desempenho Ponto de vista do sistema operacional CPU oferece um número de processadores lógicos (virtuais) Processos e threads são escalonados nos processadores lógicos 4 cores físicos Com HT habilitado: 8 cores (4x2) São lógicos!! Não vai 8x mais rápido Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8

3 Processadores multicore e com hyperthreading Escalonamento em multicore (com ou sem HT) São vistos pelo sistema operacional como multiprocessadores Hyperthreading define processadores lógicos em processadores físicos O sistema operacional enxerga os processadores lógicos para efeitos de escalonamento Ex.: Intel i3 (dual core com HT): cada core tem dois lógicos (HT), então, para o SO, há como quatro processadores (lógicos) disponíveis Sistema operacional Com HT lógico físico Intel i3 lógico físico Sem HT Sistema operacional Problemas similares aos dos multiprocessadores Afinidade Balanceamento de carga Execução concorrente do sistema operacional Escalonamento de processos e threads Monoprocessador: Qual processo/thread deve executar? Multiprocessador: Qual processo/thread deve executar E em qual processador? Modelo de threads define a unidade de escalonamento Modelo N:1 escalona por processo, modelo 1:1 escalona por thread Sistemas Operacionais 9 Sistemas Operacionais 10 Estudo de casos Estudo de caso: Escalonamento Windows Escalonamento Windows Escalonamento Linux Unidade de escalonamento é a thread Modelo de threads é 1:1 Preempção por tempo e por prioridade Define duas classes: Tempo real: prioridade estática (níveis 16-31) Variável: prioridade dinâmica (níveis 0-15) Cada classe possui níveis de prioridades Real time Cada nível é implementado por uma fila em uma política round-robin Múltiplas filas: classe de tempo real Múltiplas filas com realimentação: classe de tempo variável Threads da classe tempo real tem precedência sobre as da classe variável, não é verdadeiramente tempo real. user Maior prio 0 Menor prio Sistemas Operacionais 11 Sistemas Operacionais 12

4 Escalonamento windows (classe variável) Estudo de caso: escalonamento Linux 2.5 Dois parâmetros definem a prioridade de uma thread: Valor de prioridade de base do processo Prioridade inicial que indica sua prioridade relativa dentro do processo Prioridade da thread varia de acordo com uso do processador Preempção por esgotar o quantum: prioridade reduzida Preempção por operação de E/S: prioridade aumentada Nunca assume valor inferior a sua prioridade de base, nem superior a 15 Fator adicional em máquina com múltiplos processadores: afinidade! Tentativa de escalonar uma thread no processador que ela executou mais recentemente Unidade de escalonamento é tarefa (processo ou thread) Define duas classes User: Processos interativos e batch (regular) RT: Processos de tempo real 140 níveis diferentes de prioridade Escalona sempre a tarefa de maior prioridade Cada nível possui um valor de quantum associado Maior a prioridade, maior o quantum Quantum é o número de ciclos que um processo pode continuar em execução Real time user Maior prio Menor prio Sistemas Operacionais 13 Sistemas Operacionais 14 Escalonamento Linux (classe tempo real) Escalonamento Linux (classe usuário) Prioridades entre 0 e 99 Esquema de prioridade fixa Definida por usuário com privilégios especiais Seleciona o processo de maior prioridade para executar Múltiplas filas sem realimentação Políticas de escalonamento (padrão POSIX) SCHED_FIFO: escalonador FIFO com prioridade estática SCHED_RR: escalonador Round-robin com prioridade estática Na verdade NÃO são escalonadores de tempo real Não garantem prazo!! São simplesmente mais prioritários que a classe USER Prioridades de 100 a 139 Associa tempos de quantum a cada nível Fator nice Valor a ser somado na prioridade da thread (-20 a +19) Default é zero Chamada de sistema nice(), mas que só pode ser usada para baixar a prioridade Estrutura de dados Fila de execução (runqueue) = corresponde ao estado de apto Fila de espera (waitqueue) = corresponde ao estado bloqueado Tarefas que esperam por evento de E/S ou sincronização Uma fila para cada evento que uma tarefa pode esperar Sistemas Operacionais 15 Sistemas Operacionais 16

5 Fila de execução (Runqueue) Esquema da estrutura runqueue (por processador) Uma por processador/core Possui ponteiros para dois vetores e uma função (migração) Vetores Ativo e Expirado (140 elementos cada) Cada elemento do vetor é o cabeça de uma lista encadeada tarefas de prioridade i estão encadeados a partir do elemento i Princípio de funcionamento Seleciona a tarefa de mais alta prioridade do vetor de ativos Se quantum da tarefa esgotar, é movida para o vetor de expirados Se FIFO não há quantum Evita a inanição Classe usuário pode ser colocado em um nível de prioridade diferente Quando não houver mais tarefas na lista de ativos, inverte o valor dos ponteiros ativo e expirados Runqueue Ponteiro ativo Ponteiro 139 expirado Migração Serve garantir balanceamento entre as runqueues dos diferentes processadores/cores (verificação periódica) 139 Listas duplamente encadeadas Sistemas Operacionais 17 Sistemas Operacionais 18 Prioridades Detalhes gerais sobre escalonador Linux Quanto mais prioritário, maior o quantum Nível 100 (800ms) a Nível 139 (5 ms) Prioridade dinâmica Baseada em quanto tempo usou a CPU e quanto tempo ficou bloqueado Recompensa padrão I/O bound com até -5 Pune padrão CPU/bound com até +5 Recalculada ao mover de ativo para expirado Evoluiu bastante nos últimos anos Considera a presença de vários processadores/cores Afinidade e balanceamento Redução do tempo de execução Justiça A partir da versão o escalonador é baseado em uma política Completely Fair Scheduling Complexidade O(n log n) Baseado em árvores rubro-negras com o tempo de processamento usado como chave de pesquisa Sistemas Operacionais 19 Sistemas Operacionais 20

6 Leituras complementares A. Tanenbaum. Sistemas Operacionais Modernos (3 a edição), Pearson Brasil, Capítulo 2: seções a A. Silberchatz, P. Galvin; Sistemas Operacionais. (7 a edição). Campus, Capítulo 5 (seções 5.1, 5.2 e 5.3) R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani; Sistemas Operacionais. Editora Bookman 4 a edição, 2010 Capítulo 4 (seções 4.4 e 4.5) Sistemas Operacionais 21