cap02-escalonamento
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Sistemas Operacionais Prof.: Filipe T. Marques [email protected] UNIPÊ Transparências também adaptadas pelo professor: Gustavo Wagner Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 1 Capítulo 2 Processos e Threads 2.1 Processos 2.2 Threads 2.3 Comunicação interprocesso 2.4 Problemas clássicos de IPC 2.5 Escalonamento Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 2 Escalonamento • Em computadores multiprogramados há vários processos concorrendo pela CPU ao mesmo tempo; • Se houver apenas uma CPU, deverá ser escolhido um processo para executar primeiro; • No SO, a parte que faz isso é o escalonador; • O algoritmo usado é o algoritmo de escalonamento; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 3 Introdução • No início, com sistemas em lote, sendo a entrada cartões gravados em fita magnética, o algoritmo era: execute o próximo job na fita; • Um algoritmo de escalonamento inteligente e eficiente é o que se busca; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 4 Introdução • Com o advento de computadores pessoais, a estória mudou em dois aspectos; • Primeiro: normalmente em PCs existe apenas um processo ativo: editor de texto; • Segundo: as cpus ficaram tão rápidas que atualmente a lentidão vem por parte do usuário; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 5 Introdução • Como conseqüência, em PCs simples, o escalonamento não é tão importante; • Já em servidores e estações de trabalho de alto desempenho em rede, a situação muda; • Por exemplo, qual deve executar primeiro: – Processo que atualiza a tela depois do usuário fechar uma janela; – Processo que envia mensagens eletrônicas; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 6 Introdução • Além de escolher qual processo executar, o escalonador tem que fazer bom uso da CPU; • Alternar processos é muito caro! – Passa-se do modo usuário para modo núcleo; – Salva-se o estado atual do processo: contexto; – Em alguns sistemas, mapa de memória deve ser salvo; – Um novo processo precisa ser escolhido; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 7 Introdução – A MMU precisa carregar o mapa de bits do novo processo; – O novo processo precisa ser iniciado; – Além disso, a memória cache precisa ser invalidada; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 8 Comportamento do processo • Processos têm surtos de computação e requisições de E/S; • Interrupção de tempo – Evita que o processo rede por um tempo muito grande – O escalonador é posto para rodar e decide qual processo executará Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 9 Escalonamento • Surtos de uso da CPU alternam-se com períodos de espera por E/S a) um processo orientado à CPU b) um processo orientado à E/S Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 10 Comportamento do processo • Quanto mais rápidas as CPUs, mais os processos serão orientados à E/S; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 11 Quando escalonar • Primeiro, quando se cria um novo processo, é necessário tomar a decisão de execução do pai ou filho; • Segundo, no término de um processo é necessário escolher outro processo; • Terceiro, quando um processo bloqueia para E/S, é necessário escolher outro processo para executar; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 12 Quando escalonar • Quarto, quando ocorre uma interrupção de E/S; O processo que estava esperando a E/S vai para pronto e pode ser escalonado; • Decisões do escalonador pode ocorrer a cada interrupção do relógio; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 13 Quando escalonar • Preemptivo: tempo fixado de execução; • Não-preemptivo: o processo só para de executar se houver E/S ou finalizou; • Se não houver relógio disponível, o escalonamento não-preemptivo será a única opção; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 14 Categorias de algoritmos • Diferentes áreas de aplicações têm objetivos diferentes; • Por isso tempos diferentes categorias de algoritmos; – Lote: não há usuário impaciente esperando resultado; Os algoritmos são não-preemptivos ou preemptivos com tempo longo; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 15 Categorias de algoritmos – Interativo: algoritmos preemptivos; Se um programa falhar, é só escolher outro; – Tempo real: estranhamente, preempção é desnecessária; cada processo faz seu trabalho e abandona a CPU; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 16 Requisitos • Justiça – Garantir que todos os processos terão chances iguais de uso do processador • Eficiência – Manter o processador ocupado 100% do tempo Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 17 Requisitos • Tempo de resposta – Minimizar o tempo de resposta para os usuários interativos • Turnaround – Minimizar o tempo que os usuários batch devem esperar pela saída • Throughput – Maximizar o número de jobs processados na unidade de tempo Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 18 Introdução ao Escalonamento (2) Objetivos do algoritmo de escalonamento Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 19 Escalonamento em lote – Primeiro a chegar, primeiro a ser servido – FILA • Um job executa até concluir sua computação ou que seja bloqueado; • Jobs que cheguem para executar esperarão numa fila; • Caso de desvantagem: – um processo orientado à cpu precisa executar por 1s, a cada vez; – Outros processos orientados à E/S precisam realizar 1000 leituras de disco; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 20 Job mais curto primeiro Um exemplo de escalonamento job mais curto primeiro (4a + 3b + 2c + d)/4 Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 21 Job mais curto primeiro • Todos os jobs já devem estar prontos; • Contra exemplo (quando nem todos os jobs estão disponíveis): – 5 processos: A(2), B(4), C(1), D(1), E(1) – Tempos de chegada: 0, 0, 3, 3, 3 – Usando Job mais curto primeiro, teríamos: A, B, C, D, E = 4,6 – Se executarmos na ordem B, C, D, E, A = 4,4 Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 22 Próximo de menor tempo restante • Versão preemptiva do “Job mais curto primeiro”; • Se um processo chegar, e seu tempo de execução for menor do que o tempo restante do processo atual, ele será escolhido; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 23 Escalonamento em 3 níveis Escalonamento em três níveis Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 24 Escalonamento em Sistemas Interativos Round Robin • Escalonamento por alternância circular (roundrobin) a) lista de processos executáveis b) lista de processos executáveis depois que B usou todo o seu quantum Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 25 Round robin • Mudança de contexto é caro; • Se mudar de contexto durasse 1ms, e quantum fosse 4ms, 20% do tempo de CPU seria mudando contexto! • Se o quantum for muito grande, ex.: 100ms, e tiver 10 usuários teclando <enter>, o último talvez tenha que esperar 1s! • Um quantum razoável está entre 20 a 50ms; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 26 Escalonamento por prioridade Um algoritmo de escalonamento com quatro classes de prioridade Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 27 Escalonamento por prioridades • O escalonador pode levar em consideração quanto do quantum o processo utilizou; • Por exemplo, se o quando for de 50ms, e o processo só usou 1ms, o escalonador deve aumentar a prioridade deste em relação a outro processo que usou todo o quantum; • Fórmula: 1/f, onde f é a fração do quantum que o processo usou; • Como evitar que um processo de alta prioridade rode indefinidamente? Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 28 Próximo processo mais curto • Em sistemas em lote, funciona bem; • Mas como fazer isso em sistemas interativos? Ou seja, como saber quem é o job mais curto nesse momento? • Calcular com base em execuções passadas, e fazer o cálculo do tempo estimado; • aT0 + (1-a)T1; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 29 Escalonamento por loteria • Cada processo é munido de um bilhete; • George Orwell: “Todos os processos são iguais, mas alguns são mais iguais que os outros”; • Processos mais importantes podem receber mais bilhetes; • Um novo processo que recebe bilhete tem a mesma chance que um antigo; • Esse algoritmo é altamente responsivo; • Os processos cooperativos podem trocar bilhetes: ex.: Cliente-Servidor Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 30 Escalonamento por fração justa • Se um usuário tiver 4 processos a executar, e outro tiver 1 único processo para executar? • Provavelmente o primeiro usuário usará 80% da CPU e o outro apenas 20%; • Escalonamento por fração justa divide igualitariamente a CPU entre os usuários; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 31 Escalonamento em Sistemas de Tempo Real • Algoritmos de escalonamento de tempo real podem ser estáticos ou dinâmicos; • Estático: escalona-se antes do sistema ser executado; tem-se informação precisa antes da execução; • Dinâmico: escalona-se durante a execução do sistema; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 32 Política X Mecanismo • Fizemos suposições até agora que os processos pertencem a usuários diferentes; • Mas existem vários processos que são do mesmo usuário, como pai e filhos; • Algoritmos são parametrizáveis, mas os parâmetros podem ser passados pelos processos dos usuários; • Mecanismo: algoritmo de escalonamento; está normalmente no núcleo; • Política: pode ser implementada por algum processo de usuário; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 33 Escalonamento de Threads • Em nível do usuário, quem escalona é o sistema supervisor; • Ele é quem entende qual o melhor momento e qual thread deve escalonar; • O escalonador do SO só escalona o processo das threads, não as próprias threads; • O algoritmo usado pelo sistema supervisor pode ser qualquer um dos vistos anteriormente; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 34 Escalonamento de Threads • Já em modo núcleo, o escalonador escalona cada thread especificamente; • Escalonar uma thread de núcleo é bem mais lento que escalonar uma thread de usuário: precisa invalidar memória, cache, etc; • Mudar de uma thread A.1 para A.2 é mais rápido que mudar de A.1 para B.1; • Isso pode ser levado em consideração na hora de escalonar; Pearson Education Sistemas Operacionais Modernos – 2ª Edição 35
