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Escalonamento
Prof. Alexandre Monteiro
Recife
Contatos
Prof. Guilherme Alexandre Monteiro Reinaldo
Apelido: Alexandre Cordel
E-mail/gtalk: [email protected]
Site: http://www.alexandrecordel.com.br/fbv
Celular: (81) 9801-1878
Computador Moderno
Fonte: Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 ed, São Paulo p.1, 2010 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved.
Mais uma vez: O que é um SO?
É uma Máquina Estendida
•Oculta os detalhes complicados que têm quer ser executados
•Apresenta ao usuário uma máquina virtual, mais fácil de usar
É um Gerenciador de Recurso
•Cada programa tem um tempo com o recurso
- Ex.: compartilhamento de CPU
•Cada programa tem um espaço no recurso
- Ex.: compartilhamento de memória
História dos SO’s
Primeira geração: 1945 - 1955
•Válvulas, painéis de programação Segunda geração: 1955 - 1965
• transistores, sistemas em lote Terceira geração: 1965 – 1980
•CIs (circuitos integrados) e multiprogramação
Quarta geração: 1980 – presente
•Computadores pessoais Hoje: onipresença – computação ubíqua
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Revisão sobre hardware de computadores (1)
Componentes de um computador pessoal simples
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Revisão sobre hardware de computadores (2)
(a) Um pipeline de três estágios
(b) Uma CPU superescalar
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Revisão sobre hardware de computadores (3)
Típica hierarquia de memória• números mostrados são apenas aproximações
Registradores
Registradores de propósito geral: armazena variáveis importantes e resultados temporários
Contador de Programas: contém o endereço de memória da próxima instrução a ser buscada. Depois que busca é atualizado para apontar a próxima instrução.
Ponteiro de Pilha: aponta para o topo da pilha atual na memória. A pilha contém uma instrução
PSW (program status word – palavra de estado do programa): contém os bits de códigos de condições de instruções de comparação, pelo nível de prioridade da CPU.
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Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema (System Call) Modo usuário:
• Aplicações não têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware;
• Quando o processador trabalha no modo usuário, a aplicação só pode executar instruções sem privilégios, com um acesso reduzido de instruções;
• Por que? Para garantir a segurança e a integridade do sistema;
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Conceitos Básicos Chamadas ao Sistema (System Call) Modo Kernel:
• Aplicações têm acesso direto aos recursos da máquina, ou seja, ao hardware;
• Operações com privilégios;• Quando o processador trabalha no modo kernel, a aplicação tem acesso ao conjunto total de instruções;
• Apenas o SO tem acesso às instruções privilegiadas;
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Conceitos Básicos Chamadas de Sistema (System Call) Se uma aplicação precisa realizar alguma instrução
privilegiada, ela realiza uma chamada ao sistema (system call), que altera do modo usuário para o modo kernel;
Chamadas de sistemas são a porta de entrada para o modo Kernel;
• São a interface entre os programas do usuário no modo usuário e o Sistema Operacional no modo kernel;
• As chamadas diferem de SO para SO, no entanto, os conceitos relacionados às chamadas são similares independentemente do SO;
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Conceitos Básicos Chamadas de Sistema TRAP: instrução que permite o acesso ao modo
kernel;
Exemplo:
• Instrução do UNIX: count = read(fd,buffer,nbytes);
Arquivo a ser lido
Ponteiro para o Buffer
Bytes a serem lidos
O programa sempre deve checar o retorno da chamada de sistema para saber se algum erro ocorreu!!!
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Chamadas ao Sistema
Endereço 0
Retorno
Colocar o código para read no registrador
TRAP
Empilha nbytes
Incrementa SPComando read
Empilha fdEmpilha &buffer
Manipulador de Chamadas
Dispatch
Endereço0xFFFFFFFFF
Biblioteca do ProcedimentoREAD
Chamada ao ProcedimentoREAD
Kernel SO
Espaço do
Usuário
1
32
4
5
6
7 8
9
10
Tabela de ponteiros para Chamadas
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Introdução a Processos Em um sistema multiprogramado vários programas
estão na RAM e são executados concorrentemente•A CPU permuta entre programas, executando cada um por dezenas/centenas de milisegundos.
- Uma CPU só pode executar um programa por vez.
•Mas no curso de 1’’ uma CPU pode executar diversos programas ilusão de paralelismo (pseudoparalelismo)
- Verdadeiro paralelismo = sistema multiprocessado
Introdução a Processos O conceito de processo é a base para a
implementação de um sistema multiprogramável A gerência de um ambiente multiprogramável é
função do SO, o qual controla a execução dos programas e o uso concorrente da CPU
Neste contexto um programa esta associado a um processo
OBS: Apesar de denominações como tarefa ou job ainda serem usadas com o mesmo sentido, o termo processo é atualmente o mais utilizado.
job = tarefa = processo
Introdução a Processos Vantagens da Multiprogramação:
•Aumento da taxa de utilização do processador
•Melhor utilização dos recursos em geral•Redução do tempo de execução de um conjunto de programas
•Dá a ideia ao usuário de que ele possui uma máquina só para si.
Introdução a Processos
Um processo é formado por três partes
• Contexto de Hardware• Contexto de Software• Espaço de endereçamento
Estas três partes mantêm todas as informações necessárias à execução de um programa
Quando um processador troca de processo caracteriza uma mudança de Contexto de Execução
Estado do Processo
Para haver o compartilhamento da CPU em um sistema multiprogramável, os processos passam por diferentes estados ao longo do seu processamento
• A troca de estado ocorre em função de eventos gerados pelo próprio processo (voluntário) ou pelo SO (involuntário)
Os estados em que um processo pode se encontrar variam de sistema para sistema mas, de uma maneira geral, pode-se citar:
• Executando (Running)• Pronto (ready)• Bloqueado (blocked) – Também conhecido com Espera
(Wait)• Terminado (exit)
Troca de Contexto
Conceito de Escalonamento Para cada estado existe uma Fila que contém os
PCBs.
Nas transações entre estados, o PCB do processo é movido entre as filas apropriadas.
Concorrência
São formas diferentes de implementar concorrência
Busca-se subdividir o código em partes que permitam o trabalho cooperativo entre estas partes
São elas:
• Processos Independentes• Subprocessos• Threads
Thread
Ambiente Monothread• Em um ambiente monothread um processo só suporta
um programa no seu espaço de endereçamento• Neste ambiente aplicações concorrentes são
implementadas só com o uso de processos independentes ou subprocessos
- Nestes casos a aplicação é dividida em partes que podem trabalhar concorrentemente.
De forma simplificada um thread pode ser definido como uma sub-rotina de um programa que pode ser executada de forma assíncrona. Ou seja, executada paralelamente ao programa chamador.
Thread
A grande diferença entre ambientes monothread e multithread está no uso do espaço de endereçamento
• Processos independentes ou subprocesso possuem espaços de endereçamento individuais e protegidos
• Multithreads compartilham o espaço de endereçamento dentro de um mesmo processo
- Como os threads compartilham o mesmo espaço de endereçamento, não se exige mecanismos para proteção no acesso a memória
- Isso permite que o compartilhamento de dados entre threads de um mesmo processo seja mais simples e rápido
Ambiente Multithread
Cada thread possui seu próprio contexto de HW, porém divide o mesmo contexto de SW e espaço de endereçamento com os demais threads do processo
Vantagens de Mutithreading
Tempo de criação/destruição de threads é inferior ao tempo de criação/destruição de processos
Chaveamento de contexto entre threads é mais rápido em tempo que chaveamento entre processos
Como threads compartilham o descritor do processo que as contem, elas dividem o mesmo espaço de endereçamento o que permite a comunicação por memória compartilhada, sem interação com o núcleo
Comunicação Interprocessos
Os processos podem precisar trocar informações entre eles ou podem solicitar a utilização de um mesmo recurso simultaneamente, como arquivos, registros, dispositivos de E/S e memória.
O compartilhamento de recursos entre vários processos pode causar situações indesejáveis e, dependendo do caso, gerar o comprometimento da aplicação.
O Sistema Operacional tem a função de gerenciar e sincronizar processos concorrentes, com o objetivo de manter o bom funcionamento do sistema.
Regiões Críticas
Para se evitar uma condição de corrida é preciso definir métodos que proíba que mais de um processo acesse uma determinada área de memória compartilhada ao mesmo tempo.
Esses métodos são conhecidos como exclusão mútua ou MUTEX (MUTual EXclusion).
A parte do programa no qual o processo acessa memória compartilhada é chamada seção crítica ou região crítica.
Dessa forma, a solução para se evitar uma condição de corrida seria organizar os problemas de tal forma que nenhum de dois ou mais processos estivessem em suas regiões críticas ao mesmo tempo.
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Regiões Críticas (2)Espera Ativa
Exclusão mútua usando regiões críticas
proposta de exclusão mútua na qual, um processo quando está acessando sua região crítica, outro processo que deseja entrar também em região crítica fica aguardando.
Algoritmos de Exclusão Mútua MUTEXES
Semáforo
Monitores
Produtor x Consumidor
Dormir x Acordar
Troca de Mensagens
Barreiras
Jantar dos Filósofos
Barbeiro Sonolento
Leitor xEscritor
Objetivos do Escalonamento
Maximizar a utilização do processador
Maximizar o nº de processos executados por unidade de tempo (throughput)
Minimizar o tempo total de execução de um processo (turnaround)
Minimizar o tempo de espera (na lista de processos aptos)
Minimizar o tempo de resposta decorrido entre a requisição e sua realização
Características de Escalonamento Justiça (fairness)
• Todos os processos têm chances iguais de uso dos processador
Eficiência• Taxa de ocupação do processador ao longo do tempo
Tempo de Resposta• Tempo entre a ocorrência de um evento e o termino da
ação correspondente
Turnaround• “Tempo de resposta” para usuários em batch• Minimizar o tempo que usuários batch devem esperar
pelo resultado
Throughput• No. de “jobs” (processos) executados por unidade de
tempo
Situações típicas para execução do escalonador
Depende se o escalonador é preemptivo ou não- preemptivo, se considera prioridades ou não:
Sempre que a CPU estiver livre e houver um processo apto para executar
Criação e término de processos
Um processo de mais alta prioridade ficar pronto para executar
Interrupção de tempo• Processo executou por um período de tempo máximo permitido
Interrupção de E/S
Interrupção de Falta de Página em Memória• Endereço acessado não está carrego na memória (memória virtual)
Interrupção por erro
Chaveamento de Contexto (Dispatcher)
Níveis de escalonamento
Longo Prazo
Médio Prazo
Curto Prazo
Diagrama de Escalonamento
Filas de Escalonamento
High-level (Longo Prazo)• Decide quantos programas são admitidos no sistema• Aloca memória e cria um processo• Controla a long-term queue
Short-term (Curto prazo)• Decide qual processo deve ser executado• Controla a short-term queue
I/O (Médio prazo)• Decide qual processo (com I/O) pendente deve ser tratado
pelo dispositivo de I/O• Controla a I/O queue
Filas de Escalonamento
Long-term
queue
Short-term
queue CPU
I/Oqueue
I/Oqueue
I/OqueueI/O
I/O
I/O
Processrequest FIM
High-levelscheduling
Short-termscheduling
I/O scheduling
InterruptHandler
Interruptof process
Interrupt from I/O
Algoritmos de Escalonamento Algoritmos Não-Preemptivos (cooperativos)
• First-In-First-Out (FIFO) ou First-Come-First-Served (FCFS)
• Shortest Job First (SJF) ou Shortest Processo Next (SPN)
Algortimos Preemptivos• Round Robin (Circular)• Baseado em Prioridades• Híbridos
- Partições de Lote (Batch)- MFQ - Multiple Feedback Queue
Existem outros algoritmos de escalonamento• High Response Ratio Next (HRRN)• Shortest Remaining Time (SRT)• Ect...
Escalonamento Preemptivo Permite a suspensão temporária de processos
Quantum ou time-slice: período de tempo durante o qual um processo usa o processador a cada vez
T11T12
T0 T22 T0
1 121905141 t70
mP1
Preempção
Quantum Quando uma tarefa recebe o processador, o núcleo ajusta
um contador de ticks que essa tarefa pode usar, ou seja, seu quantum é definido em número de ticks.
A cada tick, o contador é decrementado; quando ele chegar a zero, a tarefa perde o processador e volta à fila de prontas.
Nova visão dos Estados do Processo
Troca de Contexto
5 ms
Políticas de Escalonamento
Round-Robin Uso de uma lista de processos sem prioridade Escalonamento preemptivo Simples e justo Bom para sistemas interativos
Tar. BContextoTar. BContexto
Tar. CContextoTar. CContexto
CPU:RunningCPU:Running
Tar. AContextoTar. AContexto
Tar. AContexto
Tar. AContexto
Tar. AContexto
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Round Robin Cada processo recebe um tempo limitado (time slice = quantum)
para executar um ciclo de processador
Fila de processos aptos é circular
Necessita de relógio para delimitar as fatias de tempo (interrupção de tempo/relógio)
Se o (quantum = ∞) obtem-se o comportamento de um escalonador FIFO.
Tamanho do quantum igual prejudica processos I/O bound (prioridade)
Políticas de Escalonamento
First-In First-Out (FIFO) Uso de uma lista de processos sem prioridade (Fila) Escalonamento não-preemptivo Simples e justo Bom para sistemas em batch (lote)
B C D E F … N B C D E F … NCPUCPUA
FIM
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
1. Processo aptos inseridos no final da fila
2. Processo no início da fila é o próximo.3. Processo executa até terminar, libere o
processador ou realize um chamada de sistema
Políticas de EscalonamentoFirst-In First-Out (FIFO)
Políticas de Escalonamento
Híbridos Como combinar processos batch com interativos?
Uso de Partições de Lote (batch)
• O sistema aceita tantos processos batch quantas forem as partições de lote
• O sistema aceita todos os processos interativos
• Escalonamento em dois níveis
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Partições de Lote (Batch)MFQ - Multiple Feedback Queue
Escalonamentos Híbridos
Partições de Lote
B C D E F … N B C D E F … NA
Memória
Partiçãode Lote
ProcessosInterativos
Processos interativos são ativados
imediatamente
Processos batch esperam a liberação do lote
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Escalonamentos Híbridos
Multiple Feedback Queue Como saber a priori se o processo é CPU-bound ou
I/O-bound?
MFQ usa abordagem de prioridades dinâmicas
Adaptação baseada no comportamento de cada processo
Usado no VAX / VMS (arquiteturas de computadores)
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Escalonamentos Híbridos
Multiple Feedback Queue
... Fila 1
... Fila 2
Fila n
Quantum
Prioridade
Novos processos entram na primeira fila (prioridade mais alta)
Se acabar o quantum desce um nível
Se requisitar E/S sobe um nível• Lembrando: I/O-bound são prioritários
...
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Escalonamentosbaseados no tempo de execução Shortest Job First (não-preemptivo) Shortest Remaining Job Next (preemptivo)
Melhora o tempo de resposta Não é justo: pode causar estagnação (starvation)
• Pode ser resolvida alterando a prioridade dinamicamente
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Exemplo de escalonamento job mais curto primeiro (Shortest Job First – SJF)
Shortest Job First
Shortest Job First
Algoritmo ótimo, fornece o menor tempo médio de espera para um conjunto de processos
Processos I/O bound são favorecidos
Dificuldade é determinar o tempo do próximo ciclo de CPU de cada processo, porém:
• Pode ser empregado em processos batch (long term scheduler)• Prever o futuro com base no passado
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Um algoritmo de escalonamento com quatro classes de prioridade
Escalonamento em Sistemas Interativos
Como definir a Prioridade?
Prioridade Estática:
Processo é criado com determinada prioridade e esta é mantida durante todo o processo.
Prioridade Dinâmica:
Prioridade é ajustada de acordo com o estado de execução do processo e/ou sistema.
Ex. ajustar a prioridade em função da fração de quantum que foi realmente utilizada pelo processo.
• q = 100ms • Processo A = 2ms -> nova prioridade = 1/0.02 = 50• Processo B = 50ms -> nova prioridade = 1/0.5 = 2