Sistemas Operacionais. Escalonamento de Processo. Prof. Dr. Márcio Andrey Teixeira

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1 Sistemas Operacionais Escalonamento de Processo Prof. Dr. Márcio Andrey Teixeira

2 Quando um computador é multiprogramado, ele muitas vezes tem variados processos que competem pela CPU ao mesmo tempo; Essa situação ocorre sempre que dois ou mais processos estão simultaneamente no estado de pronto; A parte do SO que faz a escolha de qual processo deve ser executado é chamado de escalonador, e o algoritmo que é usado é chamado de algoritmo de escalonamento; Comportamento do processo A figura abaixo mostra como os programas se comportam em relação a utilização da CPU a) Espera pela E/S b)

3 Quando escalonar Quando se deve escalonar??? 1 Quando se cria um novo processo!!! 2 No término de um processo!!! 3 Quando um processo é bloqueado!!!! 4 Quando um processo executa o evento de E/S!!! O algoritmo de escalonamento pode ser: Não preemptivo: O processo executa até o fim, sem ser interrompido; Preemptivo: O processo executa em fatias de tempo (quantum) determinado pelo sistema operacional.

4 Em sistemas multiprogramados, múltiplos processos são mantidos na memória principal, cada qual alternando o uso do processados. Como fator principal da multiprogramação, quatro tipo de escalonamento são possíveis: Long term Scheduling: Determina os processos que serão admitidos no sistema. Medium term Scheduling: Determina a adição de um número de processos que estão parcialmente ou completamente na memória Short term Scheduling: Determina quais processos serão executados pelo processador Long term Scheduling e Medium term Scheduling estão diretamente relacionados com aspectos de performance, ou seja grau de multiprogramação. É utilizado quando o processo deverá ser admitido no sistema e quando tomar decisão de trocar parte do processo da memória primária para a memória secundária. Short term Scheduling aborda com alto grau de performance o escalonamento de processos que estão pronto para executar na memória principal.

5 A Figura abaixo mostra um exemplo da utilização dos tipos de algoritmos de escalonamento: O objetivo do escalonador é atribuir processos para serem executados pelos processadores de modo a atingir parâmetros de performance, tais como tempo de resposta, vazão e eficiência do processados

6 Reorganização dos tipos de algoritmos de escalonamento existente:

7 O escalonamento afeta a performance do sistema, pois determina quais processos deverão esperar e quais deverão progredir. Isso envolve o gerenciamento de filas, exemplo:

8 Long term Scheduling: Determina quais programas serão admitidos pelo sistema para o processamento, ou seja, controla o grau da multiprogramação. - Em alguns sistemas, um processo que acabou de ser criado inicia-se na memória secundária e, neste caso, será adicionado a fila do escalonador intermediário. - Em sistemas operacionais de processamento em lote, processos recém criados são direcionados para o disco e mantidos numa fila de lote. - A decisão de quando criar um novo processo é geralmente tomada como resultado do grau de multiprogramação. Quanto mais processos existirem menor é o tempo da tomada para cada um ser executado, pois mais processos competem pelos recursos. - Em termos de frequência de execução, Long term Scheduler desempenha o gerenciamento grosseiro, e portanto, é executado com baixa frequência.

9 Medium-term Scheduling: Responsável pela troca (swapping) entre memória secundária e memória principal. - Executa com mais freqência que o anterior para o gerenciamento de swapping. Short term Scheduling: Também conhecido como dispatcher, é executado muito frequêntemente sendo responsável pela tomada de descisão de qual processo a ser executado (próximo processo). - Este escalonamento é executado quando da ocorrência de um evento que conduza o bloqueio do processo corrente, cria-se uma oportunidade de preenpção em favor de outro processo. Exemplos desses eventos são: - Clock da CPU; - Interrupções de I/O; - Chamadas do sistema operacional; - O Short term Scheduling procura alocar o tempo do processador de tal maneira a otmizar um ou mais aspectos do comportamento do sistema.

10 Os critérios utilizados para isso são distinguidos em: critérios orientados ao sistema e critérios orientados aos usuários. Critérios orientados aos usuários: Estão relacionados como os usuários ou os processos quantificam o comportamento do sistema: - Response Time: Para um processo interativo, este é o tempo desde a submissão de uma requisição até a sua resposta. A disciplina de escalonamento deverá maximizar o número de usuários interativos em um tempo de resposta aceitável; - Turnaround time: Este é o intervalo de tempo entre a submissão de um processo e o seu término de execução. Este tempo inclui o tempo atual de execução mais o tempo de espera pelo recurso, incluindo a CPU. Está é a média apropriada de um Job em Lote; - Deadlines: Quando um deadline de um processo pode ser especificado, a disciplina do algoritmo de escalonamento deve maximizar a porcentagem da execução dos deadlines existentes;

11 Critérios orientados ao sistema: Estão relacionados o comportamento do sistema em si. - Throughput: A politica de escalonamento deve tentar maximizar o número de processos completados por unidade de tempo. Esta é a média de quanto trabalho iniciado é executado; - Processor utilization: Porcentagem de tempo em que o processador está ocupado. Em um sistema compartilhado, este é um critério significante; - Balanceamento de recursos: A politica de escalonamento deve manter os recursos do sistema ocupado; - Priority: A política de escalonamento deve favorecer os processos com maiores prioridades;

12 Os critérios citados são independente, sendo complicado otimizá-los em conjunto e simultaneamente. Ex:. Para prover um bom tempo de resposta, pode exigir do algoritmo de escalonamento que freqüentemente troque o contexto entre processos, o que aumenta o overhead do sistema, ou seja, contribui para reduzir a vazão dos processos. Na maioria dos sistemas operacionais interativos, o tempo de resposta é o critério principal; Em muitos sistemas, cada processo é atribuído uma prioridade e o escalonador irá sempre escolher com mais alta prioridade sobre o de menor prioridade; A figura a seguir ilustra um exemplo de escalonamento com filas de prioridade

13 Um dos problemas deste algoritmo é que processos com baixa prioridade podem chegar a não serem executados; Solução: alterar a prioridade do processo de acordo com seu histórico de execução e em função do tempo;

14 Exemplo de um Overhead do sistema

15 Categorias de escalonamento de processo Para ambientes diferentes de sistemas operacionais, são necessários tipos diferentes de algoritmos de escalonamento. Esses ambientes podem ser: 1. Lote; 2. Interativo (propósito geral); 3. Tempo real; Em sistemas em Lote, não há terminal com usuários esperando impacientes por uma resposta rápida. Conseqüentemente, algoritmos com longo intervalo de tempo para cada processo em geral são aceitáveis. Em sistemas com usuários interativos, a preempção é para evitar que um processo se aposse da CPU, e com isso negue serviço aos outros. Em sistemas com restrição de tempo real, a preempção é estranhamente, desnecessária algumas vezes, pois os processos sabem que não podem executar por longos períodos de tempo e em geral fazem seus trabalhos e bloqueiam rapidamente.

16 Categorias de escalonamento de processo Um bom algoritmo de escalonamento é projetado de acordo com os critérios de utilização já mencionados, isso dependendo o ambiente do sistema operacional (em lote, interativo ou tempo real), mas existem alguns critérios que são desejáveis para todos os casos, exemplo: Para todos os ambiente: - Justiça: Dar a cada processo uma porção justa da CPU; - Aplicação da política: verificar se a política estabelecida é cumprida; - Equilíbrio: manter ocupada todas as partes do sistema; Sistemas em lote: - Vazão (Througput): Maximizar o número de jobs por hora; - Tempo de retorno: Minimizar o tempo de entre a submissão e o término da execução; - Utilização da CPU: manter a CPU ocupada todo o tempo;

17 Sistemas interativos: - Tempo de resposta: responder rapidamente às requisições; - Proporcionalidade: Satisfazer as perspectivas dos usuários; Sistemas de tempo real: - Cumprimento dos prazos: evitar a perda de dados; - Previsibilidade: evitar a degradação da qualidade em sistemas multimídias

18 Algoritmos de escalonamento (Lote) Primeiro a chegar, primeiro a ser servido O algoritmo (first come, first served FCFS) possui as seguintes características: - Com esse algoritmo, a CPU é atribuída aos processos na ordem em que eles a requisitam. Basicamente há uma fila única de processos prontos; - Quando o processo requisita a CPU ele é executado. Quando chega mais processos, estes são inseridos em uma fila.

19 Considere a seguinte tabela Processo A B C D E Tempo de chegada Tempo de serviço

20 Primeiro a chegar, primeiro a ser servido Grande vantagem desse algoritmo é que: é de fácil entendimento e de fácil implementação. Maior desvantagem desse algoritmo: quando tem-se programas orientados a CPU e programas orientados a E/S. Por exemplo, um programa orientado a CPU executa 1 segundo, e um programa orientado a E/S que executa pouco tempo de CPU, mas necessita de executar mil leituras no disco antes de terminar; Em um algoritmo com preempção a cada 10 milessegundos (em vez de cada um segundo), o processo terminaria em 10 segundos; Job mais curto primeiro Vejamos um outro algoritmo em lote não preemptivo que supõe como previamente conhecido todos os tempos de execução.

21 Job mais curto primeiro Considere a seguinte seqüência de execução! A B C D B C D A Tempo de retorno: A = 8; B = 12; C = 16; D = 20 ; Tempo médio (A + B + C + D) / 4

22 Exemplo. Considere a tabela abaixo. Processo P1 P2 P3 P4 P5 Tempo de chegada Tempo de serviço Job mais curto primeiro

23 Próximo de menor tempo restante Uma versão preemptiva do FCFS é o próximo menor tempo restante. Com este algoritmo, o escalonador sempre escolhe o processo cujo o tempo de execução restante seja o menor. Novamente, o tempo de execução deverá ser previamente conhecido. Quando chega um novo job, seu tempo total é comparado ao tempo restante do processo em curso. Se para terminar, o novo job precisar de menos tempo que o processo atual, então esse será suspenso e o novo job será iniciado.

24 Algoritmos de escalonamento interativo Escalonamento por alternância circular (Round Robin) - Um dos algoritmos mais antigos - A cada processo é atribuído um intervalo de tempo, o quantum, no qual ele é permitido executar; - Se no final do quantum o processo não terminou, a CPU sofre uma preempção e outro processo entra para executar; - Quando um processo termina o seu quantum, ele é colocado no final da fila. Exemplo:

25 - O que interessa em um escalonador circular é o tamanho do quantum. A alternância de um processo para outro requer uma certa quantidade de tempo (Troca de contexto). Vamos supor que para cada processo, a troca de contexto dure 1ms. Suponha também que o quantum é de 4 ms. Com este exemplo, após 4 ms de trabalho, a CPU gastará 1 ms para alternar o processo; Nesse exemplo, 20% da CPU será gasta com a troca de contexto dos processos gerando um overhead muito alto. Para melhorar a eficiência, vamos supor um quantum de 100 ms, agora o tempo gasto com o overhead é de 1% do tempo da CPU; Considere o que pode acontecer quando 10 usuários de um sistema interativo apertem a tecla <ENTER> quase ao mesmo tempo. Dez processos serão alocados na lista de pronto para executar. O que acontecerá????????? Um quantum entre 25 a 50 ms é bastante razoável

26 A Figura a seguir ilustra um a execução do escalonamento RR com quantum de 1 e 4 ms. Processo P1 P2 P3 P4 P5 Tempo de chegada Tempo de serviço

27 Escalonamento por prioridades O escalonamento circular pressupõe que todos os processos são igualmente importantes. Para que haja diferenças externas de execução, foi criado o escalonamento por prioridade. A idéia básica é simples: - A cada processo é atribuído uma prioridade, e o processo com maior prioridade é executado primeiro; Mesmo em um PC comum com um único proprietário, pode haver múltiplos processos com prioridades diferentes. - Exemplo, um processo como um deamon de correio eletrônico deve ter menor prioridade que um processo que atualiza um vídeo na tela; Para evitar que processos de alta prioridade executem infinitamente, o escalonador pode reduzir a prioridade do processo a cada execução do mesmo. As prioridades são atribuídas pelo S.O. No Linux, o comando nice altera a prioridade de um processo de acordo com que o usuário desejar.

28 Muitas vezes é conveniente agrupar processos em classes de prioridade e usar o escalonamento de prioridade entre as classes, contudo em cada classe usar o escalonamento circular. A figura a seguir mostra um exemplo com quatro classes de prioridades:

29 Outro exemplo de escalonamento com classes de prioridades.

30 Medidas de Desempenho dos algoritmos de escalonamento Considere as seguintes itens: Tempo de chegada: Tempo em que o processo entra no sistema; Tempo de serviço: Tempo total de processamento; Turneraund Time: Intervalo entre a entrada do processo no sistema e o seu término; T t / T s : Tempo de desempenho do processo; Calcular o desempenho dos algoritmos de escalonamento utilizando a tabela abaixo: Processo P1 P2 P3 P4 P5 Tempo de chegada Tempo de serviço

31 Medidas de Desempenho dos algoritmos de escalonamento

32 Determine as medidas de tempo para os algoritmos abaixo: Job mais curto primeiro

33 Determine as medidas de tempo para os algoritmos abaixo: Round Roubin: Q=1; Q=4

34 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Linux O problema básico de escalonamento em sistemas operacionais é como satisfazer simultaneamente objetivos conflitantes: tempo de resposta rápido, bom throughput para processos background, evitar postergação indefinida, conciliar processos de alta prioridade com de baixa prioridade, etc. (Determinar a política de escalonamento) Os sistemas operacionais Linux implementam o escalonamento da seguinte forma: Os processos são divididos em três grandes classes: processos interativos, processos batch e processos tempo real. Em cada classe, os processos podem ser ainda subdivididos em I/O bound ou CPU bound de acordo com a proporção de tempo que ficam esperando por operações de entrada e saída ou utilizando o processador. O escalonador do Linux não distingue processos interativos de processos batch, diferenciando-os apenas dos processos tempo real. Como todos os outros escalonadores UNIX, o escalonador Linux privilegia os processos I/O bound em relação aos CPU bound de forma a oferecer um melhor tempo de resposta às aplicações interativas.

35 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Linux O escalonador do Linux é baseado em time-sharing, ou seja, o tempo do processador é dividido em fatias de tempo (quantum) as quais são alocadas aos processos. Se, durante a execução de um processo, o quantum é esgotado, um novo processo é selecionado para execução, provocando então uma troca de contexto Esse procedimento é completamente transparente ao processo e baseia-se em interrupções de tempo. Esse comportamento confere ao Linux um escalonamento do tipo preemptivo. Outra característica do escalonador Linux é a existência de prioridades dinâmicas. O escalonador do Linux monitora o comportamento de um processo e ajusta dinamicamente sua prioridade, visando a equalizar o uso do processador entre os processos. Processos que recentemente ocuparam o processador durante um período de tempo considerado longo têm sua prioridade reduzida. De forma análoga, aqueles que estão há muito tempo sem executar recebem um aumento na sua prioridade, sendo então beneficiados em novas operações de escalonamento. As prioridades dos processos podem ser modificadas pelo usuário, utilizando o comando nice. As prioridades dos processos variam entre 20 e -19, sendo esta a prioridade mais alta.

36 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Linux Na realidade, o sistema Linux trabalha com dois tipos de prioridades: estática e dinâmica. As prioridades estáticas são utilizadas exclusivamente por processos de tempo real e, neste caso, a prioridade do processo tempo real é definida pelo usuário e não é modificada pelo escalonador. O esquema de prioridades dinâmicas é aplicado aos processos interativos e batch. Aqui, a prioridade é calculada, considerando-se a prioridade base do processo e a quantidade de tempo restante em seu quantum. O escalonador do Linux executa os processos de prioridade dinâmica apenas quando não há processos de tempo real. Em outros termos, os processos de prioridade estática recebem uma prioridade maior que os processos de prioridade dinâmica. Para selecionar um processo para execução, o escalonador do Linux prevê três políticas diferentes :

37 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Linux SCHED_FIFO: Essa política é valida apenas para os processos de tempo real. Na criação, o descritor do processo é inserido no final da fila correspondente à sua prioridade. Nessa política, quando um processo é alocado ao processador, ele executa até que uma de três situações ocorra: (i) um processo de tempo real de prioridade superior torna-se apto a executar; (ii) o processo libera espontaneamente o processador para processos de prioridade igual à sua; (iii) o processo termina, ou bloqueia-se, em uma operação de entrada e saída ou de sincronização. SCHED_RR: Na criação, o descritor do processo é inserido no final da fila correspondente à sua prioridade. Quando um processo é alocado ao processador, ele executa até que uma de quatro situações ocorra: (i) seu período de execução (quantum) tenha se esgotado nesse caso o processo é inserido no final de sua fila de prioridade; (ii) um processo de prioridade superior torna-se apto a executar; (iii) o processo libera espontaneamente o processador para processos de prioridade igual a sua; (iv) o processo termina, ou bloqueia-se, em uma operação de entrada e saída ou de sincronização. Essa política também só é válida para processos de tempo real.

38 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Linux Se o processo a ser desbloqueado possuir uma prioridade mais alta, o escalonador é acionado, e ocorre uma troca de processo. - A terceira, e última forma de execução lazy, é quando um processo explicitamente invoca o escalonador através de uma chamada de sistema do tipo yield. Essa chamada de sistema permite a um processo passar sua vez de execução a outro processo, e, para isso, parece claro, é necessário executar o escalonador.

39 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Linux SCHED_OTHER: Corresponde a um esquema de filas multinível de prioridades dinâmicas com timesharing. Os processo interativos e batch recaem nessa categoria. O escalonador do Linux é executado a partir de duas formas diferentes: - A primeira é a forma direta através de uma chamada explícita à rotina que implementa o escalonador. Essa é a maneira utilizada pelo núcleo do Linux quando, por exemplo, detecta que um processo deverá ser bloqueado em decorrência de uma operação de entrada e saída ou de sincronização. - A segunda forma, denominada de lazy, também é conseqüência do procedimento de escalonamento, ocorrendo tipicamente em uma das duas situações: - A primeira dessas situações é a rotina de tratamento de interrupção de tempo que atualiza os temporizadores e realiza a contabilização de tempo por processo. Essa rotina, ao detectar que um processo esgotou seu quantum de execução aciona o escalonador para que seja efetuada uma troca de processo. - A segunda situação ocorre quando um processo de mais alta prioridade é desbloqueado pela ocorrência do evento que esperava. A parte do código que efetua o desbloqueio, isto é, trata os eventos de sincronização e de entrada e saída, consulta a prioridade do processo atualmente em execução e compara-a com a do processo que será desbloqueado.

40 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Windows 2000 O escalonador do Windows 2000 é preemptivo com prioridades. As prioridades são organizadas em duas classes: tempo real e variável. Cada classe possui 16 níveis de prioridades, sendo que as threads da classe tempo real têm precedência sobre as threads da classe variável, isto é, sempre que não houver processador disponível, uma thread de classe variável é preemptada em favor de uma thread da classe tempo real. Todas as threads prontas para executar são mantidas em estruturas de filas associadas a prioridades em cada uma das classes. Cada fila é atendida por uma política Roundrobin. A atribuição de prioridades a threads é diferente para cada uma das classes. Enquanto na classe de tempo real, as threads possuem prioridade fixa, determinada no momento de sua criação, as threads da classe variável têm suas prioridades atribuídas de forma dinâmica (por isso o nome de variável para essa classe).

41 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Windows 2000 Dessa forma, uma thread de tempo real, quando criada, recebe uma prioridade e será sempre inserida na fila dessa prioridade, ao passo que uma thread da classe variável poderá migrar entre as diferentes filas de prioridades. Em outros termos, o Windows 2000 implementa um esquema de múltiplas filas para as threads da classe real e múltiplas filas com realimentação para as threads da classe variável. A figura a seguir ilustra o sistema de prioridades de Wndows 2000.

42 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Windows 2000 Na classe variável, a prioridade de uma thread é estabelecida a partir de dois parâmetros, um vínculado à própria thread e outro, ao processo a que pertence. Um objeto processo, durante sua criação, recebe um valor, entre zero e 15 inclusive, para sua prioridade de base. Cada thread recebe uma prioridade inicial, variando 2 unidades acima ou abaixo da prioridade de base do processo, que indica sua prioridade relativa dentro desse processo. A prioridade de uma thread varia durante a sua vida, mas nunca assumirá valores inferiores a sua prioridade base nem superiores a 15. O critério empregado para variar a prioridade de uma thread é o tempo de utilização do processador. Se a thread for preemptada por ter executado durante todo o quantum de tempo que lhe foi atribuído, o escalonador do Windows 2000 diminui sua prioridade; caso contrário, sua prioridade é aumentada. Em outros termos, o escalonador do Windows 2000 tende a atribuir prioridades mais elevadas para threads do tipo I/O bound.

43 Escalonamento utilizado pelo sistema operacional Windows 2000 Em máquinas monoprocessadoras, a thread de mais alta prioridade está sempre ativa a menos que esteja bloqueada esperando por um evento (E/S ou sincronização). Caso exista mais de uma thread com um mesmo nível de prioridade o processador é compartilhado de forma round-robin entre essas threads. Em um sistema multiprocessador com n processadores, as threads de mais alta prioridade executam nos n-1 processadores extras. As threads de mais baixa prioridade disputam o processador restante.