Sistemas Operacionais - IME-USP

Gerência do Processador
Adão de Melo Neto
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Introdução
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Sistemas Multiprogramáveis:
– Múltiplos processos podem permanecer na memória principal
compartilhando o uso da CPU.
– POLÍTICA DE ESCALONAMENTO
São um critérios que determinar qual processo em estado de pronto
será escolhido para fazer uso do processador
apenas um processo
em execução
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PROCESSO
Critérios de Escalonamento
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
Utilização do Processador
– Quando o valor é de 30% (sistema com carga baixa)
– Quando o valor é de 90% (sistema bastante carregado)
Throughput
– Número de processos executados em determinado intervalo de tempo
Tempo de Processador/CPU
– Tempo que um processo leva no estado de execução durante seu processamento
– As políticas de escalonamento não influenciam este tempo
Tempo de espera
– Tempo que um processo fica no estado de pronto aguardando ser executado
Tempo de Turnaround
– Tempo que leva desde a criação até seu término
Tempo de Resposta
– Tempo decorrido desde a requisição ao sistema até o instante que a resposta é exibida
Busca-se maximizar
Busca-se minimizar
Não depende da política de3
escalonamento
Critérios de Escalonamento
As características do sistema operacional (sistemas de tempo
compartilhado ou sistemas de tempo real)
irão determinar quais os principais aspectos na implementação de uma
política de escalonamento
SISTEMA DE TEMPO COMPARTILHADO
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Objetivos de uma Política de Escalonamento
- Manter processador ocupado a maior parte do tempo
- Balancear o uso da CPU entre os processos
- Privilegiar aplicações críticas
- Maximizar o throuput do sistema.
- Minimizar o tempo de resposta
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Escalonamentos Preemptivos Não-Preemptivos
preempção
Escalonamento
PREEMPÇÃO
Capacidade do sistema operacional interromper um processo e
substituí-lo por um outro
ESCALONAMENTOS NÃOPREEMPTIVOS
(nenhum evento pode ocasionar
a perda do uso do processador)
ESCALONAMENTO PREEMPTIVOS
(o sistema operacional pode interromper
um processo e passá-lo para o estado de
pronto, a fim de alocar outro processo na6
CPU)
Estados de um processo
Estado de Execução
Quando está sendo executado pela CPU
Estado de Espera
(bloqueado)
Quando aguarda
algum evento externo ou algum
recurso para prosseguir seu
processamento
EXEMPLO
Aguardando o término de operação de E/S
Aguardando data/hora para continuar operação
Quando apenas aguarda
oportunidade para ser
executado
Após criação
do processo o mesmo
vai para lista de
processos em estado de
pronto
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Mudança de Estados de um Processo
(B) EXECUÇÃO  ESPERA
(gerada por eventos do
processo:
operações de E/S)
(gerada por eventos externos:
Sistema operacional suspende
por um período de tempo a
execução do processo)
(A) PRONTO  EXECUÇÃO
( escalonamento: depende da
política de escalonamento do
Sistema Operacional)
(D) EXECUÇÃO  PRONTO
(preempção: um exemplo é o
término da fatia de tempo que
processo possui para sua
execução)
(C) ESPERA  PRONTO
(operação solicitada é atendida ou recurso esperado é concedido
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Vantagens da Preempção
•Priorizar a execução de processos como no caso de
aplicações de tempo real onde o fator de tempo é crítico.
•Implementar políticas de escalonamento que compartilhem
o processador de maneira mais uniforme
preempção
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Troca de Estados de um Processo
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Quando um processo é criado ele entra no final da fila de estados de
pronto
Saída do estado de execução:
– termino do processamento ou
– ida para o estado espera
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Espera Execução: os processos entram no final da fila de pronto.
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TIPOS DE ESCALONAMENTOS
NOME
PREEMPÇÃO
FIFO
Não (sistema monoprogramado)
SJF
Não (sistema monoprogramado)
Cooperativo
Sim (controlada pelo processo)
Circular (Round Robin Schedule) Sim (preempção por tempo)
Prioridades
Sim (preempção por prioridades)
Circular por prioridades
Sim (preempção por tempo e prioridades)
Múltiplas filas
Sim
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ESCALONAMENTO FIRST-IN_FIRST-OUT (FIFO)
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Não-preemptivo
Escalonamento: quando o processo alcança início da fila
de estados de pronto.
F
I
12
ESCALONAMENTO FIRST-IN_FIRST-OUT (FIFO)
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
Dependem do posicionamento dos processos A , B e C na fila de
estado de pronto.
Tempo de Processador
– A (10), B (4) e C (3)
Tempo Médio de Espera
(0 + 10 + 14 )/3 = 8 u.t
C  B A
Tempo de espera
Tempo que um processo fica no
estado de pronto aguardando ser
executado
Tempo de Turnaround
Tempo que leva desde a criação até
seu término
Tempo Médio de Turnaround
(10 + 14 + 17 )/3 = 10,33 u.t
13
ESCALONAMENTO FIRST-IN_FIRST-OUT (FIFO)

Vantagens
– Simples

Desvantagens
– Não dá para prever quando um processo terá sua execução
iniciada
– Processos ligados à CPU (CPU-bound) têm vantagem em
relação aos processos ligados à entrada/saída (I/O-bound).
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ESCALONAMENTO SHORSTEST-JOB-FIRST (SJF)



Não-preemptivo
Escalonamento:seleciona o processo em estado de pronto
que tiver o menor tempo de processador ainda por executar.
Tempo de processador: estimado com base em análises
estatísticas de execuções passadas.
A (10) B (4)
C (3)
C (3)
B (4) A (10)
Ordem do
Escalonamento
Ordem na Fila
(exemplo)
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ESCALONAMENTO SHORSTEST-JOB-FIRST (SJF)

Tempo de Processador
– A (10), B (4) e C (3)
Tempo de espera
Tempo que um processo fica no
estado de pronto aguardando
ser executado
Tempo de Turnaround
Tempo que leva desde a
criação até seu término
Tempo Médio de Espera
(7 + 3 + 0 )/3 = 3,3 u.t
Tempo Médio de Turnaround
(17 + 7 + 3 )/3 = 9 u.t
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ESCALONAMENTO SHORSTEST-JOB-FIRST (SJF)

Vantagem
– Redução do tempo médio de turnaround dos processos.

Desvantagens
– Impossibilidade de se estimar o tempo de processador para
processos interativos (entrada de dados é uma ação
imprevisível).
– Possibilidade de starvation quando existem muitos processos
do tipo CPU-Bound.
Tempo de Turnaround
Tempo que leva desde a criação até seu término
Tempo de processador
Tempo que um processo leva no estado de execução
durante seu processamento
Starvation:
um processo nunca alcança o estado de execução
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ESCALONAMENTO COOPERATIVO
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

Escalonamento preemptivo (preempção controlada pelo processo)
Escalonamento: um processo em execução pode voluntariamente
liberar o processador retornando à fila de pronto, possibilitando
que outro processo possa ser escalonado.
Mecanismo
– Os processos quando entram na fila de pronto enviam mensagens a outros
processos. O processo em execução verifica periodicamente sua fila de
mensagens para determinar se existem outros processos na fila de pronto.
Preempção
controlada pelo
processo
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F
I
ESCALONAMENTO COOPERATIVO

Vantagens
– Aumenta o grau de multiprogramação.

Desvantagens
– Caso um processo não verifique a fila de mensagens, os
demais não terão chance de serem executados.
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ESCALONAMENTO CIRCULAR (Round Robin Schedule)
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

Escalonamento preemptivo (preempção por tempo)
Projetado para sistemas de tempo compartilhado.
É semelhante ao FIFO com preempção por tempo.
Existe um tempo limite para o uso do processados ( time-slice). No
fim deste tempo, o sistema operacional interrompe o processo,
salva seu contexto e o direciona ao final da fila de pronto.
Preempção por
tempo
F
I
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ESCALONAMENTO CIRCULAR (Round Robin Schedule)
Time Slice = 2 ut
Tempo de espera
Tempo que um processo fica no
estado de pronto aguardando ser
executado
Tempo de Turnaround
Tempo que leva desde a criação até
seu término
Tempo Médio de Espera
(0 + 2 + 4 )/3 = 2,0 u.t
Tempo Médio de Turnaround
(17 + 10 + 11 )/3 = 12,6 u.t
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ESCALONAMENTO CIRCULAR (Round Robin Schedule)
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Vantagens
– Não permitir que um processo monopolize a CPU (redução do
tempo de espera).
– Muito adequado para sistemas interativos
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Desvantagens
– Processos CPU-bound são mais beneficiados no uso do
processador do que os I/O-bound, pois tendem a utilizar por
completo a fatia de tempo.
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ESCALONAMENTO POR PRIORIDADES
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
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Escalonamento Preemptivo (preempção por prioridade)
Existe filas com prioridades definidas. Os processos em estado de pronto
estarão na fila correspondente à sua própria prioridade (os processos
possuem uma prioridade).
Preempção por prioridade:
– Implementada por interrupção gerada em determinados intervalos de tempo Caso
haja um processo na fila de pronto com prioridade maior de que o processo em
execução, o sistema operacional realiza a preempção.
– O processo com maior prioridade em estado de pronto é escolhido para execução
(escalonado).
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ESCALONAMENTO POR PRIORIDADES

Prioridade de Execuçãocaracterística do Contexto de Software do
Processo
– Prioridade Estática
(a prioridade do processo não é alterada durante a existência do processo)
– Prioridade Dinâmica
(a prioridade do processo pode ser alterada de acordo com critérios do
sistema operacional)
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ESCALONAMENTO POR PRIORIDADES
Tempo Médio de Espera
(3 + 13 + 0 )/3 = 5,3 u.t
Tempo Médio de Turnaround
(13 + 17 + 3 )/3 = 11 u.t
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ESCALONAMENTO POR PRIORIDADES
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Vantagens
– Permite diferenciar processos de acordo com sua importância.
– Útil em sistemas de tempo real
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Desvantagens
– Starvation
• Processos com baixa prioridade podem ficar indefinidamente na
fila de pronto
• Solução: incremento gradual da prioridade de processos que ficam
muito tempo na fila de pronto
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ESCALONAMENTO CIRCULAR POR PRIORIDADES


Escalonamento Preemptivo (por prioridade ou por fatia de tempo)
Corresponde ao Escalonamento por prioridade onde a preempção
ocorre por prioridade ou por término da fatia de tempo
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ESCALONAMENTO POR MÚLTIPLAS FILAS
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


Existem várias filas de processos em estado de pronto com uma prioridade
específica.
As filas estão associadas aos tipos de processos (ex: sistema, iterativos,
batch). Os processos em estado de pronto estarão na fila correspondente ao
tipo de processo que ele representa (o processo não possui prioridade,
ficando esta característica associada a fila)
Cada fila possui um mecanismo próprio de tipo de escalonamento.
Sistema Operacional só pode escalonar processo de uma fila caso todas as
outras filas de maior prioridade estejam vazias
Escalonamento
por prioridade
Escalonamento Circular
Escalonamento Circular
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ESCALONAMENTO POR MÚLTIPLAS FILAS

Vantagens
– Diversos mecanismos de escalonamento em um mesmo
sistema operacional

Desvantagens
– Um processo não pode ser redirecionado para uma outra fila
mais adequada (caso altere seu comportamento no decorrer do
tempo)
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POLÍTICAS DE ESCALONAMENTO
EM
SISTEMAS
DE
TEMPO COMPARTILHADO
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

Os sistemas de tempo real caracterizam-se pelo
processamento interativo (exigem tempo de espera
pequeno)
A MAIORIA DOS SISTEMAS OPERACIONAIS DE TEMPO
COMPARTILHADO
UTILIZAM
O
ESCALONAMENTO
CIRCULAR COM PRIORIDADES DINÂMICAS
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POLÍTICAS DE ESCALONAMENTO
EM
SISTEMAS
DE
TEMPO REAL
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POLÍTICAS DE ESCALONAMENTO EM
SISTEMAS DE TEMPO REAL
O escalonamento por prioridade
é
o mais adequado
desde que
a cada processo é associado
uma prioridade
em função da
importância do processo
dentro da aplicação
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Exercício 01
Exercício 01
P1
P2
P3
P4
P1
P2
P3
P4
P1
P3
P4
P1
P4
P4
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Estados de um Processo
Exercício
Mudança de Estados de um Processo
Escalonamento
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

Vamos supor que temos a seguinte situação:
– Processos na fila estado de pronto:
• J-> I-> H->G->F->E->D->C
– Processo B em execução
– Processos na fila do estado de espera:
•A
Indique como ficarão as filas e o processo em execução de
acordo com os eventos discriminados
Escalonamento
Escalonamento
Escalonamento