Sistemas de Computação. Processos e escalonamento

Transcrição

1 Processos e escalonamento

2 Sistema operacional Programa que age como intermediário entre o usuário de um computador e o hardware Objetivos: Executar programas do usuário e facilitar a resolução de problemas Tornar o sistema de computação mais conveniente para uso Utiliza o hardware de maneira eficiente

3 Visão abstrata dos componentes de um sistema de computação

4 Funções executadas pelo S.O Gerencia e aloca recursos Controla a execução de programas de usuário e operações de entrada e saída Núcleo do S.O fica executando todo o tempo

5 Esquema de memória para sistema simples de batch

6 Sistemas batch multiprogramados Vários jobs são colocados na memória principal ao mesmo tempo e a CPU é multiplexada entre eles.

7 Características necessárias para multiprogramação Rotinas de E/S fornecidas pelo S.O Memória deve ser alocada aos diversos jobs pelo S.O Sistema deve escolher entre os jobs prontos para serem executados, aquele que realmente será executado Alocação de dispositivos

8 Sistemas time-sharing computação interativa A CPU é multiplexada entre vários jobs que estão na memória e no disco ( a CPU é alocada para um job somente se ele estiver na memória) Um job fica sendo trocado de lugar entre memória e disco Comunicação on-line entre o usuário e o sistema é fornecida; quando o S.O finaliza a execução de um comando, ele procura pelo próximo comando digitado no teclado Sistemas on-line têm que estar disponíveis para acesso a dados e código

9 Processos Um sistema operacional executa uma variedade de programas: Sistemas batch jobs Sistemas time-shared programas de usuário ou tarefas (tasks) Os termos job e processo são utilizados para designar a mesma coisa Processo é um programa em execução realizada de maneira seqüencial Um processo inclui: contador de programa pilha (stack) seção de dados

10 Estado do processo À medida que o processo é executado, ele troca de estado novo: O processo está sendo criado em execução (running): Instruções estão sendo executadas suspenso (waiting): O processo está esperando pela ocorrência de um evento pronto (ready): O processo está pronto para ser designado para a CPU terminado (terminated): O processo acabou sua execução

11 Diagrama de estados do processo

12 Bloco de controle de processos Informação associada a cada processo Estado do processo Contador de processo Registradores de CPU Informações para escalonamento de CPU Informações para gerenciamento de memória Informações para tarifação Informações de estado de E/S

13 Bloco de controle de processo

14 Chaveamento da CPU

15 Processos concorrentes Os processos podem executar concorrentemente no sistema Compartilhamento de recursos físicos Compartilhamento de recursos lógicos Aceleração da computação Modularidade Conveniência

16 Criação de processos Um processo pai cria processos filhos, que por sua vez criam outros processos, formando uma árvore de processos Compartilhamento de recursos Pais e filhos compartilham todos os recursos Filhos compartilham um subconjunto dos recursos do pai Pais e filhos não compartilham recursos Execução Pai e filhos executam concorrentemente Pai espera filhos acabarem

17 Criação de processos Espaço de endereçamento Filho duplica espaço do pai Filho tem um programa carregado neste espaço Exemplos em UNIX fork chamada do sistema para criar processo novo exec chamada do sistema utilizada após um fork para carregar um novo programa no espaço de memória do processo

18 Árvore de processos em um sistema UNIX

19 Término de um processo Processo executa a última instrução e pede para o sistema operacional finalizá-lo (exit). Dados passam do filho para pai (via wait). Recursos do processo são liberados pelo sistema operacional Pai pode terminar a execução de processos filhos (abort). Filho excedeu recursos alocados. Tarefa designada para o filho não é mais necessária Pai está finalizando sua execução S.O não permite que um filho continue executando se o pai terminou execução Terminação em cascata

20 Escalonamento Maior utilização da CPU com multiprogramação Ciclo de burst de CPU e E/S Execução de um processo consiste de ciclo de execução de CPU e espera por E/S Sistema operacional passa o controle da CPU para outro programa quando o que está sendo executado tem que esperar

21 Filas para escalonamento de processos Filas de jobs conjunto de todos os processos do sistema Fila de prontos conjunto de todos os processos residentes na memória principal, prontos e esperando para serem executados pela CPU Fila de dispositivos conjunto de processos esperando por um dispositivo de E/S Os processos migram entre as diversas filas

22 Fila de prontos e várias filas de dispositivos de E/S

23 Representação do escalonamento de processos

24 Escalonadores Long-term scheduler (ou job scheduler) seleciona os processos que devem ser trazidos para a fila de prontos Short-term scheduler (ou CPU scheduler) seleciona o processo que deverá ser o próximo a ser executado pela CPU e aloca a CPU para ele

25 Escalonador de médio prazo

26 Escalonadores Short-term scheduler é acionado muito freqüentemente (milisegundos) (tem que ser rápido). Long-term scheduler é acionado mais raramente (segundos, minutos) (pode ser lento). O long-term scheduler controla o grau de multiprogramação Processos podem ser descritos como: Processo I/O-bound gasta a maior parte do tempo executando E/S que computação, vários bursts de CPU curtos. Processo CPU-bound gasta a maior parte do tempo realizando computação, poucos bursts de CPU de longa duração

27 Chaveamento de contexto Quando a CPU chaveia para outro processo, o sistema tem que salvar o estado do processo que estava sendo executado e carregar o estado guardado do novo processo Tempo de chaveamento de processo introduz overhead; o sistema não realiza trabalho útil neste tempo Tempo depende do suporte de hardware existente

28 Seqüência de bursts de CPU e E/S

29 Escalonamento da CPU Seleciona um entre os processos prontos que estão na memória para ser executado e aloca a CPU para ele As decisões de escalonamento da CPU podem ocorrer quando um processo: 1. Troca do estado executando para suspenso 2. Troca do estado executando para pronto 3. Troca do estado suspenso para pronto 4. Termina Escalonamento realizado nos casos 1 e 4 é não preemptivo. Os outros são preemptivos.

30 Chaveamento de contexto Quando a CPU chaveia para outro processo, o sistema tem que salvar o estado do processo que estava sendo executado e carregar o estado guardado do novo processo Tempo de chaveamento de processo introduz overhead; o sistema não realiza trabalho útil neste tempo Tempo depende do suporte de hardware existente

31 Dispatcher O módulo dispatcher dá o controle da CPU para o processo selecionado pelo short-term scheduler; que envolve: trocar o contexto mudar o modo para modo usuário desviar para o endereço apropriado do programa do usuário Latência de despacho tempo gasto pelo dispatcher para parar um processo e iniciar a execução de outro

32 Critérios para escalonamento Utilização de CPU mantém a CPU ocupada o maior tempo possível Throughput número de processos que completam sua execução por unidade de tempo Turnaround time quantidade de tempo para executar um determinado processo Waiting time tempo que o processo fica na fila de prontos Tempo de resposta tempo para produzir a primeira resposta a um pedido em sistemas de tempo compartilhado

33 Critérios de otimização Max utilização de CPU Max throughput Min turnaround time Min waiting time Min tempo de resposta

34 First-Come, First-Served (FCFS) Processo Tempo de burst P1 24 P2 3 P3 3 Suponha que os processos chegam na ordem : P1, P2, P3 A carta de Gantt ilustra a situação: 0 P 1 P 2 P Tempo de espera para P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27 Tempo médio de espera: ( )/3 = 17

35 FCFS (Cont.) Suponha que os processos cheguem na ordem P2, P3, P1. A carta de Gantt para esta situação: P 2 P 3 P Tempo de espera para P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3 Tempo médio de espera: ( )/3 = 3 Melhor que caso anterior

36 Shortest-Job-First (SJF) Associa a cada processo a duração do seu próximo CPU burst e escalona o processo com o menor tempo: Dois esquemas: não preemptivo a partir do momento que um processo adquiriu a CPU, ela fica associada a ele até que o seu CPU burst acabe preemptivo se um novo processo chega com um CPU burst menor que o tempo que ainda resta para que o processo corrente termine a sua execução, o novo processo toma o lugar do corrente (SRTF - Shortest-Remaining-Time-First ). SJF é ótimo fornece o menor tempo de espera médio para um dado conjunto de processos

37 Exemplo de SJF não preemptivo Processo Tempo de chegada Tempo de burst P P P P SJF (não preemptivo) P 1 P 3 P 2 P Tempo médio de espera = ( )/4-4

38 Exemplo de SJF preemptivo Processo Tempo de chegada Burst Time P P P P SJF (preemptivo) P 1 P 2 P 3 P 2 P 1 P Tempo médio de espera = ( )/4-3 16

39 Como determinar duração de próximo CPU burst? Só pode ser estimado Pode ser estimado realizando-se uma média exponencial dos valores de duração de bursts de CPU prévios t n actual lenght of n n 1 predicted value for the next, 0 1 Define : th n 1 tn 1 CPU burst. n CPU burst

40 Predição da duração do próximo CPU burst

41 Exemplos =0 =1 n+1 = n História recente não conta n+1 = t n Somente os últimos bursts são levados em conta

42 Escalonamento de prioridades Um número inteiro de prioridade é associado a cada processo A CPU é alocada ao processo de maior prioridade (menor inteiro = maior prioridade) Preemptivo não preemptivo SJF é um escalonamento de prioridades onde a prioridade é o próximo tempo previsto de burst de CPU Problema Starvation processos de baixa prioridade nunca são executados Solução Aging à medida que o tempo passa a prioridade do processo aumenta

43 Round Robin (RR) Cada processo recebe uma pequena unidade de tempo da CPU (time quantum), geralmente milisegundos. Quando este tempo se esgota, o processo para de ser executado e vai para o final da fila de prontos Se existem n processos na fila de prontos e o time quantum é q, então cada processo recebe de cada vez no máximo q unidades de tempo. Nenhum processo espera mais que (n-1)q unidades de tempo para ser executado pela CPU. Desempenho q grande FIFO q pequeno q deve ser grande em relação ao tempo de troca de contexto, senão overhead é muito grande

44 Exemplo de RR com time quantum = 20 Processo Tempo de burst P1 53 P2 17 P3 68 P4 24 Carta de Gantt: P 1 P 2 P 3 P 4 P 1 P 3 P 4 P 1 P 3 P Maior média para turnaround time que SJF, mas melhor tempo de resposta

45 Time quantum e tempo de troca de contexto

46 Turnaround time varia com o time quantum

47 Múltiplas filas A fila de prontos é particionada em filas separadas que possuem seu próprio algoritmo de escalonamento foreground (interativas) - RR background (batch) - FCFS Escalonamento tem que ser realizado entre as filas Escalonamento de prioridades fixas ( serve todos da fila foreground depois da background). Possibilidade de starvation. Fatia de tempo cada fila recebe uma certa quantidade de tempo da CPU que é escalonada entre os processos da fila( 80% para foreground em RR, 20% para background em FCFS)

48 Múltiplas filas

49 Múltiplas filas com realimentação Um processo pode mudar de fila Definido pelos seguintes parâmetros: número de filas algoritmos de escalonamento de cada fila método utilizado para determinar quando um processo deve ir para fila de maior prioridade método utilizado para determinar quando um processo deve ir para fila de menor prioridade método utilizado para determinar em qual fila o processo deve entrar quando precisa de serviço

50 Exemplo de múltiplas filas com realimentação Três filas: Q0 time quantum 8 milisegundos Q1 time quantum 16 milisegundos Q2 FCFS Escalonamento Um processo novo entra na fila Q0 que é servida por FCFS. Quando ele ganha a CPU, ele recebe 8 millisegundos. Se ele não acaba em 8 milisegundos, ele é movido para fila Q1. Na fila Q1, o processo é servido por FCFS e recebe 16 milisegundos adicionais. Caso ele ainda não tenha acabado, ele é movido para a fila Q2.

51 Múltiplas filas com realimentação

52 Avaliação dos algoritmos Modelagem determinística obtém uma carga de trabalho pré determinada e específica e define o desempenho de cada algoritmo para esta carga Modelos de filas Implementação

53 Avaliação por simulação