SISTEMAS OPERACIONAIS GERÊNCIA DE TAREFAS

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1 SISTEMAS OPERACIONAIS GERÊNCIA DE TAREFAS /11

2 Conteúdo INTRODUÇÃO...3 OS CONCEITOS...3 ESTADOS E ESTÍMULOS DAS TAREFAS...4 O AGENDAMENTO DE TAREFAS...8 ALGORITMOS DE AGENDAMENTO...8 ALGORITMO FCFS - First-Come, First-Served (Primeiro que chega, primeiro atendido)...9 ALGORITMO SJF - Short Job-First - Menor job-primeiro...10 ALGORITMO DE AGENDAMENTO POR PRIORIDADE...10 O AGENDADOR COM ALGORITMO ROUND-ROBIN...11 O AGENDAMENTO DE FILAS EM MULTIPLOS NÍVEIS (MULTILEVEL QUEUES)...11 O AGENDAMENTO DE FILAS EM MULTIPLOS NÍVEIS COM REALIMENTAÇÃO (FEEDBACKED MULTILEVEL QUEUES) /11

3 INTRODUÇÃO Sistemas operacionais antigos permitiam a execução de apenas um programa de cada vez. Até então, um programa era constituído por blocos de códigos e dados. No bloco de códigos se encontravam as instruções a serem executadas e a sequência de execução. No bloco de dados se encontravam a estrutura dos dados e seus valores. Tanto código quanto dados eram diferenciados apenas quanto a forma nos quais a CPU os interpretavam, carregando-os ou apontando os registradores. O programa tinha o controle computacional total sobre o computador e as funções de kernel eram "copiadas" para o programa, tornando-o absoluto. Com o avanço tecnológico, a CPU ganhou mais instruções e registradores especiais que permitiram a troca de contexto de execução, introduzindo mais blocos: o da pilha de contexto, os segmentos estendidos, registradores de indexação e de armazenamento temporário. A evolução permitiu a execução de programas mais longos capazes de manipular mais dados, assim como a execução concorrente (alternada) de várias instruções por uma única CPU ou simultânea quando várias CPUs. Atualmente, os chips de CPUs são dotadas de vários núcleos de processamento permitindo um comportamento de execução simultânea. OS CONCEITOS Nomear as atividades da CPU sempre gerou temas de discussão dentre os vários especialistas, pois as denominações observavam o comportamento com o tempo. Tentar-se-á abordar as denominações considerando a ordem evolução. Nos sistemas onde são executados um programa de cada vez são denominados de Sistemas Batch e a unidade de execução (o programa) é denominado job. Pode parecer estranho, mas ainda existem sistemas batch em operação (ou se assemelham quanto ao comportamento de execução) e são empregados com sistemas embarcados, em computadores de bordo e em módulos de equipamentos de aquisição. O job principal é o kernel e este carrega o programa (o job secundário) sobrepondo algumas partes do kernel, pois é pressuposto que o job secundário terá o controle completo. Tais programas, quando na programação, devem prever e estabelecer todos os cuidados quanto ao uso de periféricos, os atrasos em suas respostas e manipulação de erros. Quando o job secundário é encerrado ele transfere sua execução para o job principal que comanda a recarga do programa (kernel) que fora sobrescrito. Um programa é entidade passiva, como um conteúdo de um arquivo. Sob o ponto de vista de um sistema batch (e seus jobs), o avanço tecnológico trouxe a possibilidade de execução de vários jobs concorrentemente. O recurso permitiu que aqueles jobs aproveitassem as atividades de controle previstas pelo kernel. A "cópia" aconteceria num tempo bem menor e envolveria partes de código, dados e pilha. Tal forma de execução foi denominada de Processo. 3/11

4 Avançando um pouco mais, um processo poderia gerar outros processos. O processo original recebe o nome de Processo Pai e o processo criado a partir daquele Pai é denominado de Processo Filho. Assim, um processo filho é uma "cópia fiel do pai" até o momento de sua criação. A partir daí, o processo filho tem vida própria, ou seja, detém blocos próprios de código, dados e pilhas que são independentes do processo pai. Reparem que ao "copiar" está-se desperdiçando memória, pois a área de código e de alguns dados poderiam ser reaproveitados. Ou seja, aqueles blocos poderiam ser compartilhados com o processo pai. A estratégia de reaproveitamento de tais blocos originaram um processo especial, denominado de thread, que nada mais é do uma linha de ação de um processo superior. O procedimento que trata da leitura do teclado é uma thread. O procedimento que converte a tecla pressionada ao código ASCII pode ser outra thread. Hoje a maioria dos sistemas operacionais implementam threads como condição de execução de uma "programa inteiro", gerando um entendimento dúbio do termo. Uma thread também pode criar outras threads. Recai-se, novamente, na denominação de Thread Pai e Thread Filho, da mesma forma que fora atribuído ao Processo (OBS: o termo em inglês para designar Thread Pai é Thread Parent e se refere à descendência superior e não exatamente ao Pai. Daí, em algumas bibliografias, é possível encontrar traduções ou referencias como Thread Mãe e Thread Filha). A diferença é que uma thread filha compartilha com a Mãe blocos de códigos e parte dos dados. O bloco de pilha é "copiado" da Thread superior e torna-se independente a partir da criação. Fig. 1 - Processos e Threads Pai e Filho Com essas definições e modos de execução, é preciso utilizar um termo comum que retrata uma execução, sem se importar com a sua condição. Os especialistas caminham para o termo Tarefa (ou Tasking). Ao longo da nota, ao usar o termo Tarefa, estar-se-á referindo a qualquer uma as condições de execução anteriores (job, processo ou thread). Nas situações específicas de cada uma delas receberão será usado o termo adequado. ESTADOS E ESTÍMULOS DAS TAREFAS Uma tarefa apresenta alguns estados de atividade, que se comutam por estímulos específicos. 4/11

5 Novo: Em execução: Em espera: Pronto: Terminado: TABELA DE ESTADOS A tarefa está sendo criada. Quando as instruções são executadas. A tarefa está aguardando algum evento acontecer ou terminar. A tarefa tem a sua execução suspensa. Em sistemas com Processos e Theads este estado representa que outras threads e processos possam ser executadas concorrentemente (comutação de contexto). Em sistemas batch não há comutação de contexto nem o estado correspondente. A tarefa está esperando para ser designada a um processador (ou núcleo de processamento). A tarefa terminou a execução. Os estímulos que geram a comutação entre estados dependem da condição de execução. Num sistema batch, os jobs assumem o controle de todo o sistema. Logo não estão sob controle do kernel. admitido: despacho: interrupção: evento: saída: TABELA DE ESTÍMULOS Ocorre quando o sistema operacional em tempo de acionamento da execução, ou seja, o sistema operacional é informado que deverá executar uma tarefa e o programa que a detém será transferido para a memória. Assim, o estímulo admitido leva de um estado novo para o pronto. Uma vez carregado em memória, o sistema operacional transfere a sequência de execução para aquela tarefa. A parte do Gerenciador de Tarefas que coordena tal operação é denominado de Scheduler, ou Agendador de Tarefas. A interrupção pode ocorrer por hardware ou software. Jobs não estão sujeitos a interrupções do kernel, exceto aquelas previstas pelo próprio Job ou por interrupções de Reset feitos em hardware. Processos e Threads são controlados pelo Scheduler e tem sua execução suspensa ou mesmo encerrada. Um evento sinaliza uma o início ou o término de alguma ocorrência. Um evento imprevisto não afeta a execução. Nos sistemas batch, novamente, só acatam eventos se o job em execução for programado para atendê-la no momento esperado que ela deve ocorrer. Sistemas compartilhados já permitem o tratamento da ocorrência pelo kernel ou pelo processo/thread a qualquer momento que ela ocorrer. Evidentemente, o kernel e/ou a tarefa foram programados para aquela ocorrência. No início de uma operação de I/O, por exemplo, se sinalizada, poderia implicar na comutação de contexto (troca de processos em execução), pois a tarefa aguardaria o término daquela operação, o que possibilitaria a execução de outra tarefa acionada pelo Scheduler. Logo, um evento poderia conduzir de um estado em execução para em espera e deste para o pronto. O estímulo de saída é um evento ou interrupção especial, pois é sinalizado pela tarefa que está em execução e terminou e significa que o kernel poderá preparar a execução de outra tarefa. Os diagramas de estados e estímulos permitem compreender melhor os estados nas condições de execução: 5/11

6 Fig. 2 - Diagrama de Estados de um sistema BATCH. Fig. 3 - Diagrama de Estados de um Sistema Compartilhado. Com a possibilidade de execução de várias tarefas, concorrentemente ou simultaneamente, torna-se necessário alguma forma de controle pelo kernel. Assim, cada tarefa é representada no SO por um Bloco de Controle de Processos (PCB - Process Control Block). Um PCB contém várias informações sobre a tarefa, incluindo: Estado da Tarefa, informa o estado presente do processo, conforme visto; Contador de programa: Indica o ponteiro para a próxima instrução a ser executada; Registradores da CPU: Armazena os valores dos diversos registradores da CPU (acumuladores, pilha, registradores, etc); Informação do Agendador de Tarefas: Contém a prioridade, ponteiros para filas de agendamento e outras informações úteis para o Agendador; Informações de Gerenciamento de Memória: tabelas de páginas e/ou segmentos usados, área de memória lógica necessária para a execução, alocações, etc; Informações de contabilização: montante de tempo da CPU, tempo real utilizado (Elapsed Time), registros de contabilidade, números de tarefas filhas, etc; Informação de estado de I/O: Lista de dispositivos de I/O alocados, arquivos abertos, etc. Considerando os estados (N - Novo, P- - Pronto, E - Em Execução, S - Em Espera, T - Terminado) e estímulos citados, a execução concorrente de 2 tarefas num sistema com 1 única CPU poderia ser representada na forma a a tabela abaixo. Contudo, não se esqueça que ainda há o processo do kernel. Logo, na verdade tem-se 3 processos em execução: K (Kernel), T1 (Tarefa 1), T2 (Tarefa 2). A letra entre parenteses frente ao estado representa se o processo está ocioso (O) ou em execução (X) 6/11

7 Tab. 1 - Tabela de Comutação (Exemplo). Tempo Ação em execução Estado do Kernel Estado de T1 t0 Aguardando algum evento (X) - - t1 É comandado a execução de T1 (X) N (O) - t2 É Criado o PCB de T1 (PCB1) (X) N (O) - t3 T1 é levado em memória para a execução (X) P (O) - t4 T1 é executado e aguarda outro evento (O) E (X) - Estado de T2 t5 É comandado a execução de T2, PCB1 é salvo (X) S (O) N (O) t6 É criado o PCB de T2 (PCB2) (X) S (O) N (O) t7 T2 é levado em Memória para a Execução (X) S (O) P (O) t8 T2 é executado (O) S (O) E (X) t9 Evento: Interrupção por tempo. PCB2 é salvo e PCB1 é restaurado (X) P (O) S (O) t10 T1 recebe a execução (O) E (X) P (O) t11 Evento> Interrupção por tempo. PCB1 é salvo e PCB2 restaurado (X) P (O) P (O) t12 T2 recebe a execução (O) P (O) E (X) t13 T2 entra em estado de espera de I/O. PCB2 é salvo (X) P (O) S (O) t14 T1 recebe a execução (O) E (X) S (O) t15 Evento: término de I/O de T2, PCB1 é salvo o e PCB2 restaurado (X) S (O) P (O) t16 T2 recebe a execução. (O) P (O) E (X) t17 Evento: Interrupção por Tempo. Troca de contexto (X) P (O) P (O) T1 é executado (O) E (X) P (O) t18 T1 sinaliza seu término. PCB2 é restaurado (X) T (O) P (O) t19 T2 recebe execução (O) T (O) E (X) t20 evento: Interrupção por tempo. PCB2 é salvo e PCB1 é destruído. (X) - P (O) t21 T2 recebe execução (O) - E (X) tn T2 sinaliza o término (X) - T (O) tn+1 Evento: Interrupção por tempo. PCB2 é destruido. (X) - - Observa-se que o kernel detém a execução a maior parte do tempo. Isto significa que seu código deve ser extremamente rápido para consumir o menor tempo possível e permitir a execução das aplicações. Ou seja, é necessário que o Gerenciamento de Processos seja 7/11

8 extremamente eficiente. O desempenho de um SO depende, portanto, de como as tarefas são agendadas e tal atividade cabe ao Agendador de Tarefas ou Scheduler. O AGENDAMENTO DE TAREFAS A capacidade de execução de várias tarefas é denominada de multiprogramação. O objetivo da multiprogramação é manter a CPU ocupada com a execução das tarefas a maior tempo possível. O compartilhamento do tempo é, portanto, uma forma de garantir a execução das tarefas. Como sempre, ao adotar uma solução não significa torná-la complexa. Complexidade traz lentidão e, consequentemente, baixo desempenho, que é uma característica indesejável para um Sistema Operacional. Pense num cenário real de alta produtividade. Como encher a maior quantidade de garrafas com refrigerante? Hum!! Claro!! Enfileire-as de modo que tão logo a primeira encher então inicie o enchimento da segunda. Assim é o agendador de tarefas. Quando o Kernel recebe um evento de comando de execução e cria o PCB correspondente, o Scheduler se encarrega de incluir tal PCB na fila de execução ou fila de jobs, que contém todos os processos do sistema. Sob o ponto de vista do Scheduler, cada estado representa uma fila. Assim, os estímulos (eventos) são os responsáveis pela movimentação dos processos em cada fila e entre filas. Voltando às garrafas... Se o agente de enfileiramento de garrafas for muito rápido então ele acabará saturando a capacidade de enfileiramento gerando congestionamentos. Retornando... O agendador de tarefas que distribui para as filas de estado precisa de um "agendador supervisor" que controlará o número de tarefas que permanecem no sistema. Tem-se, portando dois agendadores: o primeiro extremamente rápido e com ação frequente; um segundo que utiliza de critérios mais sofisticados e que é executado numa frequência menor. Quantitativamente, a razão entre as frequências de execução de agendadores rápido sobre lento pode chegar a ordem de 1000 vezes ou mais. Por exemplo, algum SO executa um agendador rápido a cada 10 milissegundos e o lento de 10 em 10 segundos. ALGORITMOS DE AGENDAMENTO A finalidade do Agendador é Tarefas é decidir qual tarefa será executada. Há diversos critérios de decisão: FCFS, SJF, Prioridade, Round-Robin, Multilevel, Feedback-Multilevel. Antes de descrever os algoritmos faz-se necessário entender alguns cenários quanto à disponibilidade da CPU. É comum uma tarefa executar uma grande massa de processamento e em seguida operações de I/O demoradas. A alternância entre tais estados caracterizam Picos de Consumo de CPU e Picos de Operação de I/O, que variam com o tempo além da frequência de ocorrência. Tais parâmetros dependem da capacidade de processamento da CPU, arquitetura, e do hardware envolvido. Contudo, a duração destes picos e a sua frequência são elementos que auxiliam na seleção de um método de agendamento de tarefas. Um outro cenário está associado aos instantes que as tarefas são executadas. A seleção é feita pelo agendador rápido. A fila de "estado pronto" não é, necessariamente, uma fila FIFO. Ela pode ser FIFO, mas também pode ser uma fila de prioridade, uma fila em árvore, lista encadeada e não ordenada. Neste cenário designamos de Agendador de CPU ou Scheduler da 8/11

9 CPU. Os agendadores podem ser classificados com preempção e não preempção. Diz-se que o agendador é sem preempção quando ocorre: a) A comutação de estados de execução para o estado de espera; b) Término do processo. Diz-se que o agendador é com preempção quando ocorre as condições anteriores, além de: a) Comutação de estado de execução para o estado de pronto; b) Comutação de estado de espera para o estado de pronto. Um outro componente envolvido na função de agendamento da CPU é o Dispatcher (Despachante). Ele é o responsável pelo cumprimento das comutações a serem realizadas. A função de um Despachante envolve: a) Comutação de contexto; b) Comutação para modalidade não privilegiadas; c) Desvios para o início de execução de uma aplicação. Um despachante tem que ser tão rápido quanto possível, pois consome tempo de CPU durante a troca de contexto. O tempo que o despachante leva para interromper uma tarefa e colocar outra em execução é chamado de latência de despacho. (Você poderia identificar onde o dispatcher foi executado na - Tabela de Comutação (Exemplo).?) ALGORITMO FCFS - First-Come, First-Served (Primeiro que chega, primeiro atendido) É o algoritmo mais simples dentre todos. Como o próprio nome indica, a CPU atenderá na ordem de entrada na fila (FIFO) e executará o processo até o seu término ou se acontecer um evento de I/O. É um algoritmo particularmente crítico para sistemas de tempo compartilhado, pois cada tarefa precisa compartilhar a CPU a intervalos regulares e o algoritmo não considera tal condição. Para entender o algoritmo, considere 3 processos P1, P2 e P3 e tempos seus picos 20, 2 e 4 milissegundos, respectivamente. Se os processos chagarem à CPU na ordem: P1, P2 e P3, o gráfico de Gantt nos fornecerá um tempo médio de ( )/3 = 14 ms. (Para identificar os valores, questione quando o processo Pn será executado, considerando o primeiro com o tempo zero.) P1 (20 ms) P2 (2 ms) P3 (4 ms) Mas, se a ordem for outra: P2, P3 e P1, o gráfico de Gantt nos fornecerá um tempo médio de (0+2+6)/3 = ~2.7 ms. (Para identificar os valores, questione quando o processo Pn será executado, considerando o primeiro com o tempo zero.) 9/11

10 P2 (2 ms) P3 (4 ms) P1 (20 ms) Observaram que a ordem de execução alterou o tempo médio de forma significativa? Pois é! Isso implica que os picos de execução E a ordem de execução têm influência no desempenho aparente do sistema. Qual seria o tempo médio se a ordem fosse P2, P1 e P3? ALGORITMO SJF - Short Job-First - Menor job-primeiro Entendendo o algoritmo anterior torna-se óbvio que o tempo médio é menor se a tarefa de menor pico de CPU for executada primeiro. Seria fácil implementar e utilizar o SJF se os picos de CPU fossem de conhecimento prévio. Mas não é bem assim! O algoritmo SJF somente é empregado em Agendadores de Longo Prazo, tanto em agendamento com preempção quanto sem preempção. ALGORITMO DE AGENDAMENTO POR PRIORIDADE O agendamento por prioridade EXIGE que seja definido uma prioridade inicial de cada tarefa. A informação é, normalmente, incluída no PCB. A ideia é simples: Quando a tarefa entra para a fila de pronto então o agendador reposiciona as tarefas segundo sua prioridade, colocando primeiro as tarefas com prioridade mais alta em relação às demais tarefas na fila, incluindo ou não a tarefa em execução. A quantificação da escala de prioridade não é padronizada. Alguns sistemas operacionais consideram números de 0 a 4095 (4096 níveis de prioridade) ou 0 a 8191 (8192 níveis de prioridade) ou 0 a 2047 (2048 níveis de prioridade), ou 0 a 127 (128 níveis de prioridade), ou mesmo de -n a +(n-1).. Repare que não há um limite específico. Qual é a maior prioridade o extremo superior ou o inferior? Este é outro aspecto não padronizado e varia com o sistema operacional. O agendamento por prioridade pode ser tanto com preempção quanto sem preempção. Quando há preempção, o agendador observará a prioridade da tarefa em execução. Caso a tarefa em execução tenha prioridade inferior ocorrerá a mudança de contexto, conduzindo a tarefa da fila pronto para a fila execução e reposicionando-a na na fila pronto até ela ser executada. Quando NÃO há preempção, o agendador NÃO considera a prioridade da tarefa em execução. O problema deste algorítimo está na possibilidade de inanição ou bloqueio por tempo indefinido. Imagine um cenário com 3 tarefas sendo duas delas com altíssima prioridade. A tarefa com menor prioridade só seria executada quando as 2 anteriores terminassem. Se o sistema recebesse uma nova tarefa com prioridade maior, então a tarefa de menor prioridade continuaria em estado de espera. A solução do problema é adaptar o algoritmo para modificar a prioridade inicial empregando uma técnica de envelhecimento. Ou seja, a prioridade das tarefas menos favorecidas é incrementada. Após algum tempo, as prioridades seriam equalizadas e a disputa pela CPU se 10/11

11 tornaria mais "democrática". O AGENDADOR COM ALGORITMO ROUND-ROBIN O algoritmo Round-Robin implementa uma forma "democrática" de execução, onde cada tarefa tem o direito de ser executada por uma porção de tempo, ou quantum (A Microsoft denomina este tempo de time slicing). Transcorrido o quantum haverá a troca de tarefas, sendo executada a tarefa da fila pronto e levando a tarefa que estava em execução para o final da fila pronto. Caso a tarefa termine antes do quantum também ocorrerá a permuta. Logo, o algoritmo RR é com preempção. Exemplo: Considere 3 tarefas P1, P2 e P3, com tempos de pico, t1=24, t2=3 e t3=4 ms, na fila de estado pronto. Considere um Quantum=5ms O Diagrama de Gratt é: Fig. 4 - Diagrama de Gratt para o exemplo. Reparem que ocorreram 6 permutas. Cada permuta deve considerar o tempo de dispacher, denominado aqui de turnarround time. Logo, o algoritmo RR deve ter seu quantum adaptado para diminuir o número de permutas e melhorar o desempenho. O AGENDAMENTO DE FILAS EM MULTIPLOS NÍVEIS (MULTILEVEL QUEUES) Em vários sistemas operacionais é comum encontrar formas de execução em background e foreground. O que significam? Tarefas em background são executadas em nível diferente e apresentam prioridades diferentes pois, supostamente, não exigem uma interação com o usuário. As tarefas em foreground (plano superior) PODEM exigir alguma interação com o usuário e, portanto, precisam de uma prioridade maior. Não é previsto (ou permitido) que uma tarefa comute de uma fila para outra. Cada fila pode empregar um algoritmo diferente. Por exemplo: a fila em foreground empregando o RR e a fila em background o algoritmo FCFS. Por ser rígida e pelo fato de que cada algoritmo apresentar um desempenho diferente, o índice de desempenho global é menor se comparado com o próximo método de agendamento. O AGENDAMENTO DE FILAS EM MULTIPLOS NÍVEIS COM REALIMENTAÇÃO (FEEDBACKED MULTILEVEL QUEUES) Considere a agendamento anterior, porém a tarefa poderá ser migrada de uma forma de execução para outra, ou para filas com prioridades diferentes (maiores). 11/11