Sistemas Operacionais

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1 Introdução Sistemas Operacionais Gerência do processador (Escalonamento na prática) Aula 06 Sistemas atuais tem uma série de particularidades Multiprocessadores e multicore Existência de memória cache Arquiteturas de computadores diferentes (estilo NUMA) Políticas de escalonamento puras não são usadas Combinação entre elas Algumas variações Questões relacionadas com: Cache, afinidade, balanceamento de carga, eficiência, conveniência, sistemas de propósito geral, etc... Sistemas Operacionais 2 Escalonamento por fração justa (fair share) Escalonamento em múltiplos processadores Um escalonador deve ser justo com os usuários do sistema Tomar decisões baseados só em processos leva a injustiças Ex: usuário 1 com 9 processos e usuário 2 com 1 processo. O usuário 1 potencialmente usaria 90% do processador. Solução: Considerar o proprietário do processo como parte do procedimento da política de escalonamento Dois usuários devem receber 50% do processador independente do número de processos que cada um deles detém Multiprocessadores assimétricos Um processador executa o sistema operacional, e os demais executam aplicações de usuários Vantagens e desvantagens Facilita o controle de acesso a estruturas do núcleo Desperdiça um processador Multiprocessadores simétricos (SMP) Todos processadores executam o sistema operacional e aplicações usuário Vantagens e desvantagens Eficiência Acesso concorrente a estruturas do núcleo Estratégia: uma fila de apto por processador ou uma fila única para todos os processadores??? Sistemas Operacionais 3 Sistemas Operacionais 4

2 Afinidade Balanceamento de carga Processadores possuem caches para melhorar desempenho Vários níveis de cache e cada vez maiores Problema: escalonar um processo em um processador e depois trocar ele de processador faz com que se invalide uma cache e repovoe outra Solução: afinidade de processador Manter o processo executando no mesmo processador Duas estratégias: Soft affinity: tenta manter o processo no processador Hard affinity: mantém o processo no processador (ou grupo de...) Importante em máquinas NUMA (Non-Uniform Memory Access) Fator NUMA Com múltiplos processos é importante manter todos processadores trabalhando de forma similar Necessário em sistemas que tem uma fila de apto por processador Duas estratégias de migração Push: existe uma tarefa do sistema que monitora o equilibrio de carga e redistribui processos nas filas Pull: quando um processador ocioso rouba tarefas da fila de outros processadores O balanceamento de carga pode eliminar a afinidade Solução paliativa: equilibra carga só quando o sistema atingir um nível de desequilibro considerado alto (o que é alto?) Sistemas Operacionais 5 Sistemas Operacionais 6 Processadores multicore e com hyperthreading Estudo de casos São vistos pelo sistema operacional como multiprocessadores Hyperthreading define processadores lógicos em processadores físicos O sistema operacional enxerga os processadores lógicos para efeitos de escalonamento Ex.: Intel i3 (dual core com HT): cada core tem dois lógicos (HT), então, para o SO, há como quatro processadores (lógicos) disponíveis Sistema operacional Com HT lógico físico lógico físico Sem HT Sistema operacional Escalonamento Windows Escalonamento Linux Sistemas Operacionais 7 Sistemas Operacionais 8

3 Estudo de caso: Escalonamento Windows Escalonamento windows (classe variável) Unidade de escalonamento é a thread Modelo de threads é 1:1 Preempção por tempo e por prioridade Define duas classes: Tempo real: prioridade estática (níveis 16-31) Variável: prioridade dinâmica (níveis 0-15) Cada classe possui níveis de prioridades Real time Cada nível é implementado por uma fila em uma política round-robin Múltiplas filas: classe de tempo real Múltiplas filas com realimentação: classe de tempo variável Threads da classe tempo real tem precedência sobre as da classe variável user Maior prio Menor prio Dois parâmetros definem a prioridade de uma thread: Valor de prioridade de base do processo Prioridade inicial que indica sua prioridade relativa dentro do processo Prioridade da thread varia de acordo com uso do processador Preempção por esgotar o quantum: prioridade reduzida Preempção por operação de E/S: prioridade aumentada Nunca assume valor inferior a sua prioridade de base, nem superior a 15 Fator adicional em máquina multiprocessadoras: afinidade! Tentativa de escalonar uma thread no processador que ela executou mais recentemente Sistemas Operacionais 9 Sistemas Operacionais 10 Estudo de caso: escalonamento Linux 2.5 Escalonamento Linux (classe tempo real) Unidade de escalonamento é tarefa (processo ou thread) Define duas classes User: Processos interativos e batch (regular) RT: Processos de tempo real 140 níveis diferentes de prioridade Escalona sempre a tarefa de maior prioridade Cada nível possui um valor de quantum associado Maior a prioridade, maior o quantum Quantum é o número de ciclos que um processo pode continuar em execução Unidade de ciclo é 1ms (denominado jiffy) Real time user Maior prio Menor prio Prioridades entre 0 e 99 Esquema de prioridade fixa Definida por usuário com privilégios especiais Seleciona o processo de maior prioridade para executar Múltiplas filas sem realimentação Políticas de escalonamento (padrão POSIX) SCHED_FIFO: escalonador FIFO com prioridade estática SCHED_RR: escalonador Round-robin com prioridade estática Na verdade NÃO são escalonadores de tempo real Não garantem prazo!! São simplesmente mais prioritários que a classe USER Sistemas Operacionais 11 Sistemas Operacionais 12

4 Escalonamento Linux (classe usuário) Fila de execução (Runqueue) Prioridades de 100 a Associa tempos de quantum a cada nível Fator nice Valor a ser somado na prioridade da thread (-20 a +19) Default é zero Chamada de sistema nice(), mas que só pode ser usada para baixar a prioridade Estrutura de dados Fila de execução (runqueue) = corresponde ao estado de apto Fila de espera (waitqueue) = corresponde ao estado bloqueado Tarefas que esperam por evento de E/S ou sincronização Uma fila para cada evento que uma tarefa pode esperar Uma por processador/core Possui ponteiros para dois vetores e uma função (migração) Vetores Ativo e Expirado (140 elementos cada) Cada elemento do vetor é o cabeça de uma lista encadeada tarefas de prioridade i estão encadeados a partir do elemento i Princípio de funcionamento Seleciona a tarefa de mais alta prioridade do vetor de ativos Se quantum da tarefa esgotar, é movida para o vetor de expirados Se FIFO não há quantum Evita a inanição Classe usuário pode ser colocado em um nível de prioridade diferente Quando não houver mais tarefas na lista de ativos, inverte o valor dos ponteiros ativo e expirados Sistemas Operacionais 13 Sistemas Operacionais 14 Esquema da estrutura runqueue (por processador) Prioridades Runqueue Ponteiro ativo Ponteiro expirado Migração Serve garantir balanceamento entre as runqueues dos diferentes processadores/cores (verificação periódica) Listas duplamente encadeadas Quanto mais prioritário, maior o quantum Nível 100 (800ms) a Nível (5 ms) Prioridade dinâmica Baseada em quanto tempo usou a CPU e quanto tempo ficou bloqueado Recompensa padrão I/O bound com até -5 Pune padrão CPU/bound com até +5 Recalculada ao mover de ativo para expirado Sistemas Operacionais 15 Sistemas Operacionais 16

5 Detalhes gerais sobre escalonador Linux Leituras complementares Evoluiu bastante nos últimos anos Considera a presença de vários processadores/cores Afinidade e balanceamento Redução do tempo de execução Justiça A partir da versão o escalonador é baseado em uma política Completely Fair Scheduling Complexidade O(n log n) Baseado em árvores rubro-negras com o tempo de processamento usado como chave de pesquisa A. Tanenbaum. Sistemas Operacionais Modernos (3 a edição), Pearson Brasil, Capítulo 2: seções a A. Silberchatz, P. Galvin; Sistemas Operacionais. (7 a edição). Campus, Capítulo 5 (seções 5.1, 5.2 e 5.3) R. Oliveira, A. Carissimi, S. Toscani; Sistemas Operacionais. Editora Bookman 4 a edição, 2010 Capítulo 4 (seções 4.4 e 4.5) Sistemas Operacionais 17 Sistemas Operacionais 18