Gerência do Processador

Gerência do Processador
Sistemas Operacionais
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Conteúdo
 Introdução
 Funções Básicas
 Critérios de Escalonamento
 Escalonamentos não preemptivos e Preemptivos
 Escalonamento FIRST-IN-FIRST-OUT (FIFO)
 Escalonamento Circular
 Escalonamento por Prioridades
 Escalonamento Circular com Prioridades
 Exercícios
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Introdução
Com o surgimento dos sistemas multiprogramáveis, onde
múltiplos processos poderiam permanecer na memória principal
compartilhando o uso da UCP, a gerência do processador
tornou-se uma das atividades mais importantes em um sistema
operacional.
A partir do momento em que diversos processos podem estar
no estado de pronto, devem ser estabelecidos critérios para
determinar qual processo será escolhido para fazer uso do
processador.
Os critérios utilizados para esta seleção compõem a chamada
política de escalonamento, que é a base da gerência do
processador e da multiprogramação em um sistema
operacional.
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Funções Básicas da Política de
Escalonamento
 Manter o processador ocupado a maior parte do tempo,
 Balancear o uso do Processador entre processos,
 Privilegiar a execução de aplicações críticas,
 Oferecer tempos de resposta razoáveis para usuários.
Cada SO possui um política de escalonamento adequada ao seu
propósito e as suas características.
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Funções Básicas
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Rotinas Importantes
Scheduler
A rotina do sistema operacional que tem como principal função
implementar os critérios da política de escalonamento é
denominada escalonador (scheduler).
Em um sistema multiprogramável, o escalonador é fundamental, pois
todo o compartilhamento do processador é dependente dessa rotina.
Dispatcher
Outra rotina importante na gerência do processador e conhecida como
dispatcher, responsável pela troca de contexto dos processos
após o escalonador determinar qual processo deve fazer uso do
processador. O período de tempo gasto na substituição de um
processo em execução por outro é denominado latência do dispatcher.
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Critérios de Escalonamento
Sistemas de tempo compartilhado exigem que o escalonamento trate
todos os processos de forma igual, evitando, assim, a ocorrência de
starvation (inanição), ou seja, que um processo fique indefinidamente
esperando pelo processador.
Já em sistemas de tempo real, o escalonamento deve priorizar a execução
de processos críticos em detrimento da execução de outros processos.
Utilização do Processador: Na maioria dos sistemas, é desejável que o
processador permaneça ocupado a maior parte do seu tempo. Uma utilização
na faixa de 30% indica um sistema com uma carga de processamento baixa,
enquanto que na faixa de 90% indica um sistema bastante carregado, próximo
da sua capacidade máxima.
Throughput: Representa o número de processos executados em um
determinado intervalo de tempo. Quanto maior o throughput, maior o
número de tarefas executadas em função do tempo.
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Critérios de Escalonamento
Tempo de Processador / Tempo de UCP: Tempo de processador ou tempo de UCP é
o tempo que um processo leva no estado de execução durante seu processamento.
As políticas de escalonamento não influenciam o tempo de processador de um processo,
sendo este tempo função apenas do código da aplicação e da entrada de dados.
Tempo de Espera: Tempo de espera é o tempo total que um processo permanece
na fila de pronto durante seu processamento, aguardando para ser executado. A
redução do tempo de espera dos processos é desejada pela maioria das políticas de
escalonamento.
Tempo de Turnaround: Tempo de turnaround é o tempo que um processo leva
desde a sua criação ate ao seu termino, levando em consideração todo o tempo gasto
na espera para alocação de memória, espera na fila de pronto (tempo de espera),
processamento na UCP (tempo de processador) e na fila de espera, como nas
operações de E/S. As políticas de escalonamento buscam minimizar o tempo de
turnaround.
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Escalonamentos Não-Preemptivos
e Preemptivos
As políticas de escalonamento podem ser classificadas segundo a possibilidade do
sistema operacional interromper um processo em execução e substituí-lo por um
outro, atividade esta conhecida como preempção.
O escalonamento não-preemptivo foi o primeiro tipo de escalonamento implementado
nos sistemas multiprogramáveis, onde predominava tipicamente o processamento batch.
Nesse tipo de escalonamento, quando um processo está em execução nenhum
evento externo pode ocasionar a perda do uso do processador. O processo
somente sai do estado de execução caso termine seu processamento ou execute
instruções do próprio código que ocasionem uma mudança para o estado de espera.
O escalonamento preemptivo é caracterizado pela possibilidade do sistema
operacional interromper um processo em execução e passá-lo para o estado de
pronto, com o objetivo de alocar outro processo na UCP.
Com o uso da preempção, é possível ao sistema priorizar a execução de processos,
como no caso de aplicações de tempo real onde o fator tempo é critico. Outro beneficio
é a possibilidade de implementar políticas de escalonamento que compartilhem o
processador de uma maneira balanceada entre os processos.
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Escalonamento FIRST-IN-FIRST-OUT
(FIFO)
No escalonamento first-in-first-out (FIFO scheduling), também conhecido como firstcome-firstserved (FCFS scheduling), o processo que chegar primeiro ao estado de
pronto é o selecionado para execução. Este algoritmo é bastante simples, sendo
necessária apenas uma fila, onde os processos que passaram para o estado de pronto
entram no seu final e são escalonados quando chegam ao seu início.
Quando o processo em execução termina seu processamento ou vai para o estado de
espera, o primeiro processo da fila de pronto é escalonado.
Quando saem do estado de espera, todos os processos entram no final da fila de pronto
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Escalonamento FIRST-IN-FIRST-OUT
(FIFO)
 Seu principal problema é a impossibilidade de se prever quando
um processo tem sua execução iniciada, já que isso varia em função
do tempo de execução dos demais processos posicionados a sua
frente na fila de pronto.
 Outro problema nesse tipo de escalonamento é que processos
CPU-bound levam vantagem no uso do processador sobre processos
I/O-bound. No caso de existirem processos I/O-bound mais
importantes do que os CPU-bound, não é possível tratar esse tipo de
diferença.
 O escalonamento FIFO é do tipo não-preemptivo e foi inicialmente
implementado em sistemas monoprogramáveis com processamento
batch, sendo ineficiente se aplicado na forma original em sistemas
interativos de tempo compartilhado. Atualmente, sistemas de tempo
compartilhado utilizam o escalonamento FIFO com variações,
permitindo, assim, parcialmente sua implementação.
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Escalonamento Shortest-Job-First
(SJF)
• Também conhecido como SPN (Shortest-Process-Next)
• O Algoritmo de escalonamento seleciona o processo que
tiver menor tempo de processador ainda por executar
• Utilizada nos primeiros SOs com processamento
exclusivamente batch.
• Para cada novo processo no sistema, um tempo de
processador era associado ao seu contexto de sw.
• Tipo não-preemptivo
• Problema: Estimar o Tempo, principalmente, para
processos interativos, devido a entrada de dados ser
imprevisível.
• Pode haver starvation
• Reduz o tempo médio de turnaround em relação ao FIFO
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Escalonamento Cooperativo
• Um processo em execução pode liberar voluntariamente o
processador e retornar a fila de pronto
• Busca aumentar a multiprogramação em políticas não preemptivas
como FIFO e SJF
• A tarefa de liberação é exclusiva do próprio processo em execução,
cooperando com os outros processos
• O processo em execução verifica a fila de processos prontos
periodicamente
• A interrupção do processo em execução não é responsabilidade
do Sistema Operacional
• Problema: Se o processo em execução não verificar a fila, o
processador pode ficar alocado por um longo período
• Os primeiros sistemas MS Windows utilizavam esse tipo de
escalonamento (multitarefa cooperativa)
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Escalonamento Circular
O escalonamento circular (round robin scheduling) é um escalonamento
do tipo preemptivo, projetado especialmente para sistemas de tempo
compartilhado.
Esse algoritmo é bastante semelhante ao FIFO; porém, quando um processo
passa para o estado de execução, existe um tempo limite para o uso
contínuo do processador denominado fatia de tempo (time-slice) ou
quantum. Time-slice varia de 10 a 100 milisegundos
No escalonamento circular, toda vez que um processo é escalonado para
execução, uma nova fatia de tempo é concedida. Caso a fatia de tempo expire
e não tenha sido suficiente para o término, o sistema operacional interrompe o
processo em execução, salva seu contexto e direciona-o para o final da fila de
pronto. Esse mecanismo é conhecido como preempção por tempo.
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Escalonamento Circular
A fila de processos em estado de pronto é tratada como uma fila circular. O
escalonamento é realizado alocando a UCP ao primeiro processo da fila de pronto. O
processo permanece no estado de execução até que termine seu processamento,
voluntariamente passe para o estado de espera, ou que sua fatia de tempo expire,
sofrendo, neste caso, uma preempção pelo sistema operacional. Após isso, um novo
processo é escalonado com base na política de FIFO.
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Escalonamento Circular
A principal vantagem do escalonamento circular é não permitir que um
processo monopolize a UCP, sendo o tempo máximo alocado continuamente
igual à fatia de tempo definido no sistema. No caso de sistemas de tempo
compartilhado, onde existem diversos processos interativos concorrendo pelo
uso do processador, o escalonamento circular é adequado.
Um problema presente nessa política é que processos CPU-bound são
beneficiados no uso do processador em relação aos processos I/Obound. Devido às suas características, os processos CPU-bound tendem a
utilizar por completo a fatia de tempo, enquanto os processos I/O-bound tem
mais chances de passar para o estado de espera antes de sofrerem
preempção por tempo.
Estas características distintas ocasionam um balanceamento desigual no uso
do processador entre os processos.
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Escalonamento por Prioridades
O escalonamento por prioridades é um escalonamento do tipo
preemptivo realizado com base em um valor associado a cada
processo denominado prioridade de execução.
O processo com maior prioridade no estado de pronto é sempre o
escolhido para execução, e processos com valores iguais são
escalonados seguindo o critério de FIFO. Neste escalonamento, o
conceito de fatia de tempo não existe;
Consequentemente, um processo em execução não pode sofrer
preempção por tempo. No escalonamento por prioridades, a perda
do uso do processador só ocorre no caso de uma mudança
voluntária para o estado de espera ou quando um processo de
prioridade maior passa para o estado de pronto.
Neste caso, o sistema operacional deverá interromper o processo
corrente, salvar seu contexto e colocá-lo no estado de pronto.
Esse mecanismo é conhecido como preempção por prioridade
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Escalonamento por Prioridades
Um dos principais problemas no escalonamento por prioridades é o
starvation. Processos de baixa prioridade podem não ser
escalonados, permanecendo indefinidamente na fila de pronto.
Uma solução para este problema, possível em sistemas que
implementam prioridade dinâmica, é a técnica de aging.
Este mecanismo incrementa gradualmente a prioridade de processos
que permanecem por muito tempo na fila de pronto.
Vantagem: Possibilita diferenciar os processos segundo critérios
de importância. Com isso, processos de maior prioridade são
escalonados preferencialmente. Isto é bastante útil tanto em
sistemas de tempo real e nas aplicações de controle de processo,
como também em aplicações de sistemas de tempo
compartilhado, onde, às vezes, é necessário priorizar o
escalonamento de determinados processos.
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Escalonamento Circular com
Prioridades
O escalonamento circular com prioridades implementa o conceito de
fatia de tempo e de prioridade de execução associada a cada
processo.
Neste tipo de escalonamento, um processo permanece no estado
de execução até que termine seu processamento, voluntariamente
passe para o estado de espera ou saia uma preempção por tempo
ou prioridade.
A principal vantagem desse escalonamento é permitir o melhor
balanceamento no uso da UCP, com a possibilidade de diferenciar
o grau de importância dos processos.
Esse tipo de escalonamento é amplamente utilizado em sistemas de
tempo compartilhado.
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Escalonamento Múltiplas Filas
• Multilevel queue scheduling
• Existem diversas filas de processos no estado de
pronto
• As filas são associadas a características / funções
(importância da aplicação, tipo de processamento e etc)
• Possibilita mecanismos de escalonamento distintos em
um mesmo sistema operacional
• O processo não possui prioridade, somente a fila.
• Preempção acontece quando um processo entra em uma
fila de maior prioridade
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Escalonamento Múltiplas Filas
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Escalonamento Múltiplas Filas com
Realimentação
• Semelhante ao escalonamento por múltiplas filas,
porém os processos podem trocar de fila
• Permite o SO identificar dinamicamente o
comportamento de cada processo, direcionando-o
para a fila mais adequada.
• Permite o SO implementar um mecanismo de ajuste
dinâmico denominado mecanismo adaptativo
• Os processos não são previamente associados às
filas de pronto e sim, direcionados pelo SO para a
fila relacionada ao seu comportamento
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Exercícios
Exercícios
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Exercícios
1) Cite 3 funções básicas do Escalonamento de Processos.
2) Explique a política de escalonamento preemptivo e uma política de escalonamento
não-preemptivo.
3) Neste algoritmo, quando um processo passa para o estado de execução, existe um
tempo limite para a sua utilização de forma continua. Quando este tempo, denominado
time-slice ou quantum, expira sem que antes a CPU seja liberada pelo processo, este
volta ao estado de pronto (preempção), dando a vez a outro processo. O texto acima
refere-se a qual tipo de escalonamento ?
a)FIFO b)Circular c)Cooperativo d)Por prioridades
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Exercícios
4) Sabe-se que o sistema operacional trabalha com compartilhamento de tempo, dando
a impressão de estar executando simultaneamente mais de uma tarefa, mesmo em
arquiteturas monoprocessadas. Quem decide qual processo deverá ser executado pela
CPU em cada fração de tempo ?
a)Compartilhador de Processos
b)Interface de Processos
c)Escalonador de Processos
d)Gerenciador de Pacotes
5) Que tipo de escalonamento aplicações de tempo real exigem?
a)Throughput
b)FIFO
c) Escalonamento por prioridades
d) Preempção por tempo
6) Assinale a alternativa que melhor define escalonamento não-preemptivo :
a) Cada processo é executado durante uma fatia de tempo (time-slice).
b) Quando processador pode ser retirado do processo que está executando.
c)São processos mais prioritários (tempo real), melhores tempos de resposta (tempo
compartilhado), compartilhamento uniforme do processador.
d) Processo que está sendo executado e não pode ser interrompido.
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Exercícios
7) Assinale a alternativa que melhor conceitue Throughput dentro dos critérios de
escalonamento.
a) Tempo que um processo leva desde sua admissão no sistema até o seu término,
levando em consideração o tempo de espera para alocação de memória, espera na fila
de processos prontos para execução, processamento na UCP e operações de E/S.
b) Tempo de resposta decorrido do momento da submissão de um pedido até a primeira
resposta produzida.
c) Representa o número de processos (tarefas) executados em um intervalo de tempo
d) É o instante que o processador fique a maior parte do tempo ocupado
8) Defina Tempo de Espera e Tempo de Turnaround?
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