Sistemas Operacionais. Capítulo 8 Gerência do Processador

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1 Sistemas Operacionais Capítulo 8 Gerência do Processador Baseado no Livro e Material de Apoio de Arquitetura de Sistemas Operacionais 3ª edição - LTC Francis Berenger Machado Luiz Paulo Maia 1 Sumário Introdução Funções Básicas Critérios de escalonamento Escalonamentos não-preemptivos e preemptivos Escalonamento FIFO Escalonamento SJF Escalonamento cooperativo Escalonamento circular Escalonamento por prioridades Escalonamento circular com prioridades 2 1

2 Sumário Escalonamento por múltiplas filas Escalonamento por múltiplas filas com realimentação Exercícios 3 Introdução Escalonamento Espera Execução Escalonamento Pronto Qual dos processos da fila no Pronto deve entrar em execução? - sistemas multi-programáveis: - vários processos em memória principal - compartilhamento do uso da UCP - gerência do processador torna-se uma das atividades mais importantes em um S.O. - Diversos processos podem estar no estado de PRONTO: - critérios para determinar qual processo escolher para uso da UCP - constitui a Política de Escalonamento 4 2

3 Funções Básicas do Escalonamento Manter a UCP ocupada a maior parte do tempo Balancear o uso da UCP entre processos Privilegiar a execução de aplicações críticas Maximizar o throughput do sistema Oferecer tempos de resposta razoáveis para usuários interativos Implementada pelo scheduler(entrada na fila) e dispatcher(entrada em execução) Latência do Dispatcher: período de tempo gasto na substituição de um processo por um outro. Processos unidades de alocação de recursos Threads unidades de escalonamento 5 Critérios de Escalonamento Evitar STARVATION um processo fica indefinidamente a espera pela utilização do processador. Sistema Realtime deve priorizar a execução de processos críticos em detrimento da execução de outros processos. Principais Critérios da Política de Escalonamento: Utilização do processador Throughput Tempo de Processador / Tempo de UCP Tempo de Espera Tempo de Turnaround Tempo de Resposta 6 3

4 Critérios de Escalonamento Utilização do Processador: é desejável que o processador permaneça ocupado a maior parte do seu tempo. Utilização na faixa de 30% - indica um sistema com carga de processamento baixa Utilização na faixa de 90% - indica um sistema bastante carregado (próximo a sua capacidade máxima) THROUHGPUT: representa o número de processos executados em um determinado intervalo de tempo. A maximização do Throughput é desejada na maioria dos sistemas. Tempo de Processador (Tempo de UCP): é o tempo que um processo leva no estado de execução durante seu processamento. Depende do código da aplicação e da entrada de dados. 7 Critérios de Escalonamento Tempo de Espera: é o tempo total que um processo permanece na fila de pronto durante seu processamento, aguardando para ser executado. A redução deste tempo é desejado. Tempo de Turnaround: é o tempo que um processo leva desde a criação até o seu término, considerando-se o tempo de espera da alocação da memória, espera na fila de pronto, tempo de processador, fila de espera nas operações de E/S. A redução deste tempo é desejável. Tempo de Resposta: é o tempo decorrido entre uma requisição ao sistema ou à aplicação e instante em que a resposta é exibida. Num sistema interativo, é o intervalo de tempo entre digitação do usuário e a exibição da resposta no monitor. os fatores que podem influenciar são a velocidade dos dispositivos de E/S e do canal de comunicação. 8 4

5 Escalonamento Não-Preemptivo e Preemptivo Preempção possibilidade do SO interromper um processo em execução e substituí-lo por outro. Escalonamento não-preemptivo Nenhum evento externo pode ocasionar a perda do uso do processador sai do estado execução caso termine o processamento executa instruções do próprio código que mude o estado ou solicita uma função de Entrada e Saída. Escalonamento preemptivo Possibilidade do Sistema Operacional interromper um processo em execução, com o objetivo de alocar um outro processo na UCP. passa do estado execução diretamente para estado pronto interrupção por fatia de tempo (Time-Slice ou Quantum) 9 Escalonamento FIFO Escalonamento FIFO - First In First Out ou FCFS - First Come First Served primeira entrada na fila de pronto é executado e assim por diante. Mesma prioridade: 1º da fila é escalonado (FIFO) Scheduler Colocar na Fila de Pronto Criação Fila dos processos no Pronto Dispatcher Colocar no Estado de Execução UCP Término Schedulagem no final da fila Espera Interrupção por Solicitação de I/O Término da função de I/O 10 5

6 Escalonamento FIFO Exemplo Ordem diferente tempos melhores 8 ut p/ 3,7 ut Processo A Processo B Processo C Tempo de espera = 0 Tempo de espera = 10 Tempo de espera = 14 Tempo médio de espera / 3 = 8 ut u.t. Processo Tempo de processador (u.t.) A 10 Processo A B C 4 3 Processo B Processo C Tempo médio de espera / 3 = 3,7 ut u.t. 11 Deficiências: Escalonamento FIFO Impossibilidade de prever qdo. um processo será iniciada O algoritmo de escalonomaneto não se poreocupa em melhorar o tempo médio de espera dos processos. Utiliza apenas a ordem de entrada na Fila de Pronto Vantagem dos processos CPU-Bound em relação I/O- Bound É do tipo não preemptivo e foi inicialmente implementado em sistemas monoprogramáveis com Processamento Batch. Ineficientes nos sistemas interativos de tempos compartilhados 12 6

7 Escalonamento SJF Escalonamento SJF - Shortest Job First ou SPN - Shortest Process Next) o algoritmo seleciona para execução o processo na Fila de Pronto que necessita de menor tempo de UCP para terminar o processamento. Processo A Processo B Processo C u.t. Tempo médio de espera / 3 = 3,3 ut. - 1ª seleção: Processo C tp = 3-2ª seleção: Processo B tp = 4-3ª seleção: Processo A tp = 10 - algoritmo implementado nos primeiros S.O., exclusivamente Batch. - como não podia precisar previamente o tempo de processamento, uma estimativa de tempo era realizada com base nas estatísticas de execuções passadas dos programas. - se o tempo estimado for muito inferior ao tempo real, o S.O. poderia interromper a execução. 13 Escalonamento SJF Deficiências: - impossibilidade de estimar tempo para processos interativos, devido a entrada de dados por digitação ser uma ação imprevisível. - não é possível ao Sistema Operacional estimar o tempo de uso do processador no próximo escalonamento. (vários escalonamentos em cada execução) - erro na análise estatística dos comportamentos de execuções anteriores - na concepção inicial, o escalonamento SJF é Escalonamento não-preemptivo - a vantagem em relação ao FIFO é na redução do tempo médio de Turnaround - no Escalonamento SJF pode haver Starvation (um processo fica a espera pela utilização do processador, indefinidamente) para processos com tempo de processador muito longo (do tipo CPU-Bound) - implementação de Escalonamento SJF com Preempção (poder ser interrompido pelo SO) é conhecida como SRT - Shortest Remaining Time Scheduling qdo um processo no Pronto tem um tempo de processador estimado menor do que o processo em execução, SO realiza a preempção. 14 7

8 Escalonamento COOPERATIVO É um algoritmo qdo um processo em execução libera a UCP voluntariamente (através do código do programa), sem a ação da interrupção externa, retornando para a fila do estado pronto, possibilitando que um novo processo seja escalonado, assim permitir melhor distribuição no uso do processador. Característica principal é o fato da liberação do processador ser uma tarefa exclusivamente realizada pelo processo em execução (programação); O processo em execução verifica a fila de mensagens periodicamente para determinar se existem processos em espera na Fila de Pronto. 15 Escalonamento COOPERATIVO Deficiências: Se um processo em execução não verificar a Fila de Mensagens, os demais processos não terão chances de serem executados; Um processo em execução pode permanecer por um longo período de tempo alocando o processador; Exemplos verificados nos primeiros Sistema Operacional da família Microsoft Windows 16 8

9 Escalonamento CIRCULAR ROUND ROBIN SCHEDULING é algoritmo de escalonamento do tipo preemptivo projetado especialmente para Sistemas de Tempo Compartilhado (Time Sharing). Semelhante ao FIFO com implementação de Time Slice ou Quantum (fatia de tempo limite de alocação contínua do processador). O primeiro processo Scheduler Dispatcher da fila é escalonado Criação Fila dos processos no estado de Pronto UCP Término Preempção por tempo Interrupção por time slicing Schedulagem No final da fila Espera Interrupção por I/O ou externo 17 Escalonamento CIRCULAR ROUND ROBIN SCHEDULING Cada vez que um processo é escalonado para execução, uma nova fatia de tempo é concedida ao processo; PREEMPÇÃO POR TEMPO - Quando a fatia de tempo expira, o Sistema Operacional: interrompe o processo em execução; salva seu contexto de Hardware; direciona para o final da File de Pronto; Passa o controle para o Dispatcher escalonar próximo processo 18 9

10 Escalonamento CIRCULAR ROUND ROBIN SCHEDULING Exemplo: 3 processos onde o Time-Slice = 2 ut. Processo A 2 ut 2 ut 2 ut 2 ut 2 ut e FIM Processo B 2 ut 2 ut e FIM Processo C 2 ut 1 ut e FIM u.t. principal vantagem: não monopolização da UCP por um processo. CPU-Bound tem mais vantagens que I/O-Bound, por usar totalmente o Time Slice 19 Deficiências: Escalonamento CIRCULAR ROUND ROBIN SCHEDULING O valor do Time-Slice (quantum) depende da arquitetura do S.O. e o tipo do processador e em geral varia de 10 a 100 milisegundos; Se o valor do Time_Slice for muito alto, tende a ter o mesmo comportamento do escalonamento FIFO; Se o valor do Time Slice for pequeno, aumenta o número de preenpções, o que causa excessiva mudanças de contexto afetando o tempo do Turnaround dos processos e prejudica a Performance do Sistema. Os processos I/O-Bound por passar para o Estado de Espera antes de sofrerem a preempção por tempo, pode ocasionar um balanceamento desigual no uso do processador entre os processos

11 Escalonamento CIRCULAR - VIRTUAL para refinamento do Escalonamento Circular e reduzir os problemas de desbalanceamento do uso da UCP causada no I/O-Bound em relação a CPU-Bound; os processos que saem do Espera por I/O, vão para uma Fila de Pronto Auxiliar com preferência de escalonamento em relação a Fila de Pronto normal. a Fila de Pronto normal só é atendida quando a Fila de Pronto Auxiliar estiver vazia. O Time-Slice da Fila de Pronto Auxiliar = Time-Slice do sistema o tempo gasto na última escalonagem pela Fila de Pronto normal, ou seja, o tempo remanescente do Time-Slice. Estatísticamente este critério de escalonamento é mais equilibrado. 21 Escalonamento CIRCULAR - VIRTUAL Atendido qdo. fila auxiliar estiver vazia Pronto Criação Fila dos processos no estado de Pronto UCP Término Fila Auxiliar: Tem preferência em relação a Fila Pronto tempo auxiliar = time slice - tempo usado no escalonamento anterior Preempção por tempo Fila auxiliar Espera Interrupção po Time-Slice Interrupção por I/O 22 11

12 Escalonamento por PRIORIDADES do tipo PREENPTIVO: baseado na Prioridade de Execução - algoritmo do tipo Preemptivo com um valor associado a cada processo existência de Filas de Prioridades e o processo de maior prioridade é escolhido para escalonar Processos na mesma Fila de Prioridade FIFO não usa o conceito de Time-Slice -> um processo em execução não sofre preempção por tempo processo permanece no estado de execução até o término do seu processamento, ou voluntariamente passa para o Espera, ou sofra um preempção por prioridade 23 Escalonamento por PRIORIDADES PREENPÇÃO POR PRIORIDADE: a perda do uso da UCP ocorre no caso de uma mudança voluntária para o estado de Espera ou qdo um processo de prioridade maior passa para o estado de pronto. Neste caso, S.O. interrompe a execução do processo corrente, salva o seu contexto e coloca no estado de pronto. E o processo de maior prioridade é escalonado. implementado através de uma INTERRUPÇÃO DE CLOCK, gerada em determinados intervalos de tempo, e uma rotina de escalonamento reavalia as prioridades dos processos no Pronto. Caso haja na Fila de Pronto com maior prioridade do que o processo em execução, o S.O. realiza a preempção 24 12

13 Escalonamento por PRIORIDADES Pronto Filas dos processos no estado de Pronto Prioridade P1 FIFO na fila de > prioridade Prioridade P2 Criação UCP Término Prioridade Pn Preempção por prioridade Espera Interrupção por I/O Preenpção por prioridade, a interrupção ocorre qdo um processo passa para estado pronto e tem > prioridade do que está em execução. 25 Escalonamento por PRIORIDADES Exemplo Pri = 2 Processo A Processo B Pri = 3 Processo C Pri = 1 Processo A B C Tempo de processador (u.t.) Prioridade u.t

14 Escalonamento por PRIORIDADES do tipo NÃO PREEMPTIVO: processos que passam para o Pronto com prioridade maior do que a do processo em execução não ocasionam preempção, sendo apenas colocados no início da fila de pronto. 27 Escalonamento por PRIORIDADES cada S.O. implementam sua faixa de valores para as prioridades de execução com valores altos, enquanto que outros implementam utilizando valores baixos. - OPEN-VMS: prioridade de execução: 0 a 31 (>> 31) - IBM-AIX: prioridade de execução: 0 a 127 (>> 0) prioridade de execução é uma característica do Contexto de SW de um processo e pode ser estática ou dinâmica Prioridade Estática (não é alterável durante a execução) e Prioridade Dinâmica pode ser ajustado de acordo com S.O. permite ajustar o critério de escalonamento em função do comportamento de cada processo no Sistema

15 Escalonamento por PRIORIDADES Deficiências: STARVATION processos de baixa prioridade podem não ser escalonados, permanecendo indefinidamente na Fila de Pronto. solução para prioridade dinâmica: AGING mecanismo que incrementa gradualmente a prioridade de processos que permanecem por muito tempo na Fila de Pronto. Vantagens: permite diferenciar os processos segundo critérios de importância maior prioridade e preferencialmente para sistemas Real Time, nas aplicações de Controle de Processos e nos Sistemas de Time Sharing, onde é necessário priorizar alguns processos. 29 Escalonamento CIRCULAR com PRIORIDADES Inplementa ambas técnicas: Time-Slice e Prioridade Melhor balanceamento no uso da UCP, nos casos de CPU-Bound, e diferenciar o grau de importância. muito utilizado em sistemas de tempo compartilhado Scheduler Fila dos processos no estado de Pronto Prioridade P1 Dispatcher Prioridade P2 Criação UCP Término Prioridade Pn Preempção por tempo ou prioridade Preempção por Time-Slice ou por prioridade. Espera Solicitação de Função de I/O 30 15

16 Menor Prioridade Maior fatia de tempo Maior Prioridade Menor fatia de tempo Escalonamento por MÚLTIPLAS FILAS ou Multilevel Queue Scheduling diferentes tipos de filas no Pronto cada fila com prioridade específica em função das características próprias do processo importância do tipo da aplicação, tipo de processamento cada fila com mecanismo próprio (FIFO, Circular, Prioridade, etc) Maior prioridade Fila de processos do sistema Fila de processos interativos - preempção - qdo um processo entra na fila de maior prioridade - troca de fila se estiver vazia UCP Menor prioridade Fila de processos batch -Fila do grupo de Sistema Prioridade -Fila Interativo Circular c/ Priorid. Alta -Fila Batch Circular c/ Priorid. Baixa 31 Escalonamento por MÚLTIPLAS FILAS com REALIMENTAÇÃO Fila 1 (FIFO Adaptado) Preempção por tempo Fila 2 (FIFO Adaptado) Preempção por tempo Fila 3 (FIFO Adaptado) UCP Preempção por tempo Fila n (Circular) Preempção por tempo 32 16

17 Escalonamento por MÚLTIPLAS FILAS com REALIMENTAÇÃO semelhante ao Escalonamento por Multiplas Filas FIFO com Time-slicing nas filas filas dinâmicas pode trocar de filas dinamicamente baseado no comportamento de execução Mecanismo Adaptativo mecanismo de ajuste dinâmico implementado no S.O. que permite aos processos sejem redirecionados entre diversas filas com base no comportamento dos processos. um mecanismo FIFO Adaptado com Time-Slice é implementado para todas as filas, inicialmente, com exceção da fila de menor prioridade que implementa o mecanismo Circular. o escalonamento de um processo em uma fila ocorre qdo todas as filas de maior prioridade estiver vazia. o Time-Slice varia em função de sua prioridade de modo inverso: Qto maior a prioridade, menor o Time-Slice Entra na Fila de Pronto de > prioridade e nas preempções muda de fila para < prioridade 33 Exercícios 1) A partir do momento que um processo está em execução, este voluntariamente libera o processador, retornando para a fila de pronto. Sua principal característica está no fato da liberação do processador ser uma tarefa realizada exclusivamente pelo processo em execução. O texto acima se refere a qual tipo de escalonamento? a)fifo b)circular c)cooperativo d)por prioridades 2) Explique a política de escalonamento preemptivo e uma política de escalonamento não-preemptivo. 3) Neste algoritmo, quando um processo passa para o estado de execução, existe um tempo limite para a sua utilização de forma continua. Quando este tempo, denominado time-slice ou quantum, expira sem que antes a CPU seja liberada pelo processo, este volta ao estado de pronto (preempção), dando a vez a outro processo. O texto acima refere-se a qual tipo de escalonamento? a)fifo b)circular c)cooperativo d)por prioridades 34 17

18 Exercícios 4) Sabe-se que o sistema operacional GNU/Linux trabalha com compartilhamento de tempo, dando a impressão de estar executando simultaneamente mais de uma tarefa, mesmo em arquiteturas monoprocessadas. Quem decide qual processo deverá ser executado pela CPU em cada fração de tempo? a)compartilhador de Processos b)interface de Processos c)escalonador de Processos d)gerenciador de Pacotes 5) Que tipo de escalonamento aplicações de tempo real exigem? a)throughput b)fifo c) Escalonamento por prioridades d) Preempção por tempo 35 Exercícios 6) Assinale a alternativa que melhor conceitue Throughput dentro dos critérios de escalonamento. a) Tempo que um processo leva desde sua admissão no sistema até o seu término, levando em consideração o tempo de espera para alocação de memória, espera na fila de processos prontos para execução, processamento na UCP e operações de E/S. b) Tempo de resposta decorrido do momento da submissão de um pedido até a primeira resposta produzida. c) Representa o número de processos (tarefas) executados em um intervalo de tempo d) É o instante que o processador fique a maior parte do tempo ocupado 7) O que é política de escalonamento de processos de um sistema operacional? 8) Qual a diferença entre os escalonamentos FIFO e circular? 9) Explique o Escalonamento por Prioridade 10) Explique o Escalonamento Circular com Prioridade 11)- Qual a diferença ente o Escalonamento por Múltiplas Filas e com Realimentação? 36 18

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