Notas da Aula 8 - Fundamentos de Sistemas Operacionais

Transcrição

1 1. Escalonamento Notas da Aula 8 - Fundamentos de Sistemas Operacionais Uma das funções de um SO é gerenciar o acesso aos recursos da máquina, por parte dos vários processos do sistema. Isto significa que o SO deve, por exemplo, impedir acesso simultâneo de vários processos a recursos que necessitem de exclusão mútua. Em outras palavras, o SO é responsável por escolher qual processo deve ter acesso a um determinado recurso a cada instante de tempo. A esta funcionalidade, dá-se o nome de escalonamento. O processo de escalonamento mais importante em um computador é o do processador. Diferente de outros recursos do sistema, que são requisitados por apenas alguns processos, o processador é necessário a todos os processos. A memória principal, embora também seja um recurso utilizado por todos os processos, tem seu uso atrelado ao processador. Isto é, para acessar a memória principal, um processo precisa estar de posse do processador. Desta forma, ao realizar o escalonamento de uso do processador, o SO automaticamente estará realizando o escalonamento do uso da memória principal. Embora o escalonamento do processador seja o mais importante em um sistema computacional, ele não é o único realizado. Para cada recurso da máquina, há um módulo de escalonamento implementado no SO. No Capítulo 5, por exemplo, serão estudados algoritmos para o escalonamento de operações de E/S. Neste capítulo, no entanto, o foco é apenas no escalonamento do processador. De fato, a expressão escalonamento por si só, sem ser acompanhada pelo nome do recurso associado, em geral se refere ao escalonamento do processador. Um conceito próximo ao do escalonador é o de dispatcher. Enquanto o escalonador é responsável por escolher qual processo deve utilizar o recurso em um dado momento, o dispatcher é responsável por pôr em prática a decisão de escalonamento. Por exemplo, suponha que um processo A esteja atualmente em execução no processador. Ao final de seu slice de tempo, o escalonador escolhe algum dos outros processos do sistema para utilizar o processador a partir deste instante. Uma vez que a decisão tenha sido tomada, o dispatcher entra em cena, realizando as operações de troca de contexto (salvamento do contexto do processo atualmente no processador e restauração do contexto do processo escolhido pelo escalonador). 2. Objetivos de um Escalonador Um objetivo geral dos escalonadores é maximizar a eficiência na utilização dos recursos. Supondo que sempre haja demanda pelo recurso (i.e., constantemente há processos requisitando o uso do recurso), o escalonador não deve deixar o recurso ocioso. Por exemplo, considere um sistema no qual sempre há processos no estado apto (ou seja, processos prontos para serem executados). A situação ideal, neste caso, é que o processador esteja permanentemente executando processos dos usuários. Intervalos de tempo nos quais o

2 processador fica ocioso são apenas um desperdício de capacidade do recurso, ou seja, eles reduzem a eficiência de uso do processador. Uma possível razão para esta ineficiência é o overhead do escalonador. Para escolher um novo processo a ser executado, o escalonador precisa realizar algum tipo de processamento. Isto, obviamente, é feito através do uso do próprio processador por parte do SO (especificamente, do escalonador). Durante este tempo de processamento, embora o processador não esteja realmente ocioso, ele está executando uma tarefa que não interessa aos usuários da máquina (embora a tarefa de escalonamento seja fundamental para a execução dos processos dos usuários, ela não está diretamente relacionada à aplicação que interessa ao usuário). Logo, cada unidade de tempo gasta no processamento do escalonador é uma unidade de tempo que deixa de ser efetivamente aproveitada pelos usuários. Desta forma, quanto maior o processamento da tarefa de escalonamento, menor a eficiência do processador. Pode-se, portanto, definir a eficiência no uso do processador (ou a Utilização do Processador) como: onde denota o tempo total decorrido e denota o tempo em que o processador efetivamente executou tarefas dos usuários. Esta definição é simplesmente um percentual e, portanto, varia de 0 a 1. Em sistemas nos quais há vários processadores (ou núcleos), no entanto, é comum ver valores de utilização reportados pelo SO ultrapassarem os 100%. Nestes casos, o SO considera o somatório dos tempos de execução de processos dos usuários em todos os processadores, o que pode ser maior que o tempo decorrido (chamado de Tempo de Parede). Embora maximizar a utilização do processador seja um objetivo comum a todos os escalonadores, existem vários outros objetivos desejáveis para o processo de escalonamento. Cada escalonador pode ou não adotar estes outros objetivos. A vazão de um sistema, com respeito ao uso do processador, é definida como a quantidade de processos concluídos por unidade de tempo. Por exemplo, se inicialmente há 8 processos no sistema e ao final de 40 segundos o último processo é encerrado, então o sistema tem uma vazão média de 0,2 processos por segundo. A vazão é um objetivo importante em sistemas de grande porte que processam grandes quantidades de informação (por exemplo, soluções para problemas matemáticos complexos). Ela é utilizada também como critério de avaliação de grandes servidores, nos quais, em geral, cada requisição se transforma em um processo ou thread. O turnaround é definido como o tempo total de execução de um processo específico. Note que este conceito é diferente do conceito de vazão, pois o turnaround é uma característica de um processo isolado, enquanto a vazão é uma característica do sistema. Pode-se dizer que a vazão é o recíproco da média dos valores de turnaround de todos os processos do sistema. Em um dado sistema, é possível que uma aplicação específica seja mais importante que todas as

3 demais. Logo, um objetivo para o escalonador pode ser minimizar o turnaround dos processos desta aplicação, mesmo que isso signifique prejudicar a vazão do sistema como um todo. O tempo de resposta é definido como o tamanho do intervalo de tempo entre o momento em que o usuário realiza alguma requisição e o momento em que a resposta esperada começa a ser apresentada de volta ao usuário. Em um sistema com interface gráfica, por exemplo, o tempo que se passa entre o momento em que o usuário clica em um ícone de uma aplicação e o instante em que a janela de aplicação é exibida é definido como o tempo de resposta. Outro exemplo é o sistema de freio de um carro: o tempo de resposta é definido como o comprimento do intervalo entre o instante em que o motorista toca o pedal do freio até o instante em que o carro começa a desacelerar. Em sistemas interativos (aqueles nos quais o usuário interage com os processos durante suas execuções), o tempo de resposta é uma métrica muito importante. Em geral, os usuários consideram mais importante aguardar pouco tempo por respostas às suas ações que ter uma grande quantidade de processos encerrados por unidade de tempo (vazão). Logo, um objetivo comum em sistemas como desktops, laptops e celulares é minimizar o tempo de resposta médio. Um objetivo menos comum buscado por alguns escalonadores é a Justiça. Este conceito se refere ao percentual de tempo de utilização do processador (ou de qualquer que seja o recurso) dado pelo escalonador a cada processo. Muitas vezes, para atender a um dos demais objetivos apresentados até aqui, é necessário que determinados processos recebam menos oportunidades de utilização do processador que os demais. Por exemplo, para minimizar o turnaround de um processo, os demais provavelmente serão preteridos nas escolhas do escalonador. Sob o ponto de vista da justiça, no entanto, o objetivo é tornar a distribuição do recurso entre os processos o mais equilibrada possível. Escalonadores preocupados com a justiça entre os processos também podem considerar prioridades diferentes. Neste caso, a quantidade de tempo de utilização do processador recebida por cada processo deve ser proporcional à prioridade atribuída ao processo. Existem ainda os sistemas de tempo real, nos quais cada tarefa (processo) tem um prazo máximo de execução. Neste caso, o objetivo principal do escalonador é garantir que os prazos das tarefas sejam corretamente atendidos. Outros objetivos se tornam secundários. 3. Tipos de Escalonador Existem algumas classificações dos escalonadores, de acordo com suas características. A primeira classificação é entre escalonadores preemptivos e não-preemptivos. Escalonadores preemptivos permitem que processos sejam interrompidos por agentes externos uma vez que tenham recebido uma oportunidade de utilizar o processador. Escalonadores não-preemptivos, por outro lado, não permitem interrupções na utilização do processador, a

4 menos que estas sejam voluntárias. Por exemplo, um processo pode requisitar uma operação de E/S, o que faz com que sua execução seja voluntariamente interrompida. Outro exemplo é a liberação voluntária do processador, operação muitas vezes chamada de yield, na qual um processo em execução requisita ao SO que o retire do processador. Este pedido pode ser feito, por exemplo, quando o processo percebe que um determinado evento esperado ainda demorará algum tempo para ocorrer. Outro tipo de classificação de escalonadores, especificamente utilizada para o escalonamento do processador, está relacionada ao nível de atuação do escalonador. Sob este ponto de vista, existem 3 tipos diferentes de escalonadores: escalonador de longo prazo; escalonador de médio prazo; e escalonador de curto prazo. Os escalonadores de longo prazo são os responsáveis pelo controle de admissão de novos processos. Quando um novo processo é criado no sistema, o escalonador de longo prazo verifica se o sistema tem recursos suficientes para acomodar o novo processo. Por exemplo, o escalonador pode verificar se há memória suficiente no sistema para o espaço de endereçamento do processo. Em caso afirmativo, o escalonador permite que a criação do processo seja concluída. Em caso negativo, o escalonador pode optar por não permitir a criação ou por simplesmente postergar a criação até que recursos sejam liberados. O escalonador de médio prazo é responsável por escolher quais processos que devem ser suspensos e quais devem ser reativados após estarem suspensos. Lembre-se que um processo suspenso é aquele que tem seu espaço de endereçamento retirado da memória principal e colocado em memória secundária, em uma operação conhecida como swap (ou swap-out). Quando um sistema não tem memória principal suficiente para armazenar todos os processos, é possível manter todos os processos no sistema através da operação de swap (mantendo alguns suspensos). No entanto, a decisão de quais processos suspender e quais processos retirar do estado suspenso quando há memória principal livre não é trivial. Esta decisão deve seguir alguma política bem definida, objetivando otimizar algum parâmetro de desempenho da máquina. O escalonador de curto prazo é aquele responsável por escolher os processos que irão utilizar o processador a cada momento. Toda vez que o processador fica ocioso (no sentido de que processos dos usuários não estão sendo processados), o escalonador de curto prazo entra em ação, escolhendo algum processo da lista de aptos e o colocando no processador. Dos três tipos de escalonadores, os de curto prazo são os mais comuns. Eles estão presentes em todos os SOs com suporte a multiprogramação. Os escalonadores de médio prazo só são empregados em SOs que dão suporte à memória virtual (conceito que será estudado no Capítulo 7). Os escalonadores de longo prazo são ainda mais raros: em geral, estão presentes apenas em sistemas muito sensíveis a falhas ou sistemas de tempo real, no qual o SO precisa avaliar se o sistema é escalonável (ou seja, se é possível atender aos prazos de todos os

5 processos) antes de permitir a entrada de um novo processo no sistema. Dada a maior importância do escalonador de curto prazo, quando a expressão escalonador for utilizada sem um complemento, estaremos nos referindo a ele. 4. Momentos de Atuação Um escalonador atua apenas quando há necessidade de uma nova decisão de escalonamento. Os momentos exatos em que estas decisões ocorrem dependem de se o escalonador é preemptivo ou não-preemptivo. Para escalonadores não-preemptivos, os seguintes eventos marcam momentos de ação do escalonador: término da execução de um processo; execução de uma requisição de entrada e saída; e liberação voluntária do processador pelo processo. Estes três eventos marcam ocasiões em que o processo atualmente em posse do processador não pode ou não quer mais utilizar o recurso neste momento. Neste caso, o escalonador entra em ação, selecionando um novo processo para execução. Para os escalonadores preemptivos, além dos três eventos já citados, existem dois outros eventos que disparam sua execução: ocorrência de uma interrupção; e surgimento de um processo de mais alta prioridade no sistema. Interrupções podem ocorrer, por exemplo, pelo estouro de um temporizador, indicando que o slice de tempo atual do processo se esgotou. Neste caso, o SO deve escolher um novo processo para executar. Outra possibilidade é que uma interrupção tenha sido causada por um dispositivo de E/S. Neste caso, o SO pode decidir que o processo que requisitou a operação de E/S deve reassumir o controle do processador. Em relação às prioridades, é comum sistemas permitirem que o usuário atribua diferentes prioridades a diferentes processos. Uma maneira de levar isso em consideração no escalonamento é fazendo com que processos de maior prioridade sempre passem a frente de processos de menor prioridade. Neste caso, se um novo processo com prioridade mais alta surge no sistema, o escalonador remove o processo atual do processador e coloca o processo recém-criado para executar.