Scheduling della CPU Concetti di base Criteri di

Scheduling della CPU • • • Concetti di base Criteri di scheduling Algoritmi di scheduling Scheduling in sistemi con più processori Valutazione degli algoritmi Sistemi operativi 5. 1

Concetti di base • Il massimo impiego della CPU è ottenuto con la multiprogrammazione. • Ciclo di CPU–I/O burst – L’esecuzione di un processo consiste di cicli di esecuzione di CPU ed attese di I/O. • Distribuzione dei burst di CPU Istogramma burst di CPU Sistemi operativi 5. 2

Scheduler della CPU • Seleziona uno dei processi in memoria che sono pronti ad essere eseguiti ed alloca la CPU a questo processo. • Le decisioni dello scheduling di CPU hanno luogo quando un processo: 1. Passa da stato running a stato waiting. 2. Passa da stato running a stato ready. 3. Passa da stato waiting a stato ready. 4. Termina. • Se lo scheduling è solo nelle condizioni 1 e 4, si dice che lo schema di scheduling è non–preemptive (senza prelazione). • Altrimenti si ha uno schema preemptive. Sistemi operativi 5. 3

Dispatcher • Il modulo dispatcher da il controllo della CPU al processo selezionato dallo scheduler a breve termine; questo comporta: – Context switch – Passaggio a modo utente – Salto alla posizione corretta del programma utente per riavviarne l’esecuzione • Latenza di dispatch – è il tempo che impiega il dispatcher per fermare un processo e avviare l’esecuzione di un altro. Sistemi operativi 5. 4

Criteri di Scheduling • • Utilizzo di CPU – la CPU deve essere più attiva possibile • Tempo di turnaround – tempo impiegato per l’esecuzioned di un determinato processo • Tempo di attesa – tempo durante il quale un processo si è trovato nella coda ready • Tempo di risposta – tempo che intercorre tra la sottomissione di una richiesta e la prima risposta prodotta. In un sistema time– sharing il tempo di turnaround può essere limitato dalla velocità del dispositivo di output Throughput – numero di processi che completano la loro esecuzione per unità di tempo Sistemi operativi 5. 5

Criteri di ottimizzazione • • • Max utilizzo di CPU Max throughput Min tempo di turnaround Min tempo di attesa Min tempo di risposta Sistemi operativi 5. 6

Scheduling First–Come, First–Served (FCFS) • • Esempio: Processo P 1 24 P 2 3 P 3 3 Burst Time Supponendo che i processi arrivino nel seguente ordine: P 1, P 2, P 3 llo schema di Gantt è il seguente: P 1 P 2 0 • • 24 Tempi di attesa P 1 = 0; P 2 = 24; P 3 = 27 Tempo di attesa medio: (0 + 24 + 27)/3 = 17 Sistemi operativi 5. 7 P 3 27 30

Scheduling FCFS Se l’ordine di arrivo è il seguente: P 2, P 3, P 1. • Lo schema di Gantt è il seguente: P 2 0 • • • P 3 3 P 1 6 30 Tempi di attesa: P 1 = 6; P 2 = 0; P 3 = 3 Tempo di attesa medio: (6 + 0 + 3)/3 = 3 Molto migliore del caso precedente, in cui si aveva un effetto convoglio: i processi piccoli attendono che un grande processo liberi la CPU Sistemi operativi 5. 8

Scheduling Shortest–Job–First (SJF) • Si associa a ciascun processo la lunghezza del suo successivo burst di CPU. SI impiegano queste lunghezze per assegnare alla CPU il processo con il burst più breve. • Due schemi: – nonpreemptive – una volta che la CPU viene assegnata al processo, non può essere assegnata ad un altro processo fino a che quello corrente non termina il burst di CPU. – preemptive – se arriva un nuovo processo con burst di CPU minore del tempo rimasto per il processo corrente, il nuovo processo viene sostituito all’altro. Questo schema è noto come Shortest–Remaining–Time–First (SRTF). • SJF è ottimale – rende minimo il tempo medio di attesa per un dato insieme di processi. Sistemi operativi 5. 9

Esempio di SJF nonpreemptive • Processo Tempo di arrivo P 1 0. 0 7 P 2 2. 0 4 P 3 4. 0 1 P 4 5. 0 4 SJF (non-preemptive) P 1 0 • Burst Time 3 P 3 7 P 2 8 P 4 12 tempo medio di attesa = (0 + 6 + 3 + 7)/4 - 4 Sistemi operativi 5. 10 16

Esempio di SJF Preemptive • Processo Tempo di arrivo P 1 0. 0 7 P 2 2. 0 4 P 3 4. 0 1 P 4 5. 0 4 SJF (preemptive) P 1 0 • Burst Time P 2 2 P 3 4 P 2 5 P 4 7 P 1 11 tempo medio di attesa = (9 + 1 + 0 +2)/4 - 3 Sistemi operativi 5. 11 16

Predizione della lunghezza del busrt di CPU successivo • • Può soltanto stimare la lunghezza. Può essere stimato utilizzando la lunghezza dei burst di CPU precedenti, impiegando una media esponenziale. 1) tn lunghezza dell’n-mo burst di CPU 2) n+1 valore stimato per il CPU–burst successivo 3) , 0 1 4) n+1 = tn + (1 - ) n Sistemi operativi 5. 12

Esempi di media esponenziale • =0 – n+1 = n – La storia recente non è presa in considerazione. • =1 – n+1 = tn – Viene preso in considerazione solo l’ultimo burst di CPU. • Espandendo la formula si ottiene: n+1 = tn+(1 - ) tn -1 + … +(1 - )j tn -1 + … +(1 - )n=1 tn 0 • Dato che sia che (1 - ) sono minori o uguali a 1, ciascun termine successivo ha minor peso del suo predecessore. Sistemi operativi 5. 13

Scheduling a priorità • • Un valore di priorità (intero) è associato con ciascun processo. • SJF è uno scheduling a priorità dove la priorità è il successivo tempo di burst stimato. • Problema Starvation (blocco indefinito) – i processi a bassa priorità potrebbero non venir mai eseguiti. • Soluzione Aging (invecchiamento) – aumento graduale della priorità dei processi che si trovano in attesa nel sistema da lungo tempo. La CPU è allocata al processo con la più grande priorità (intero più basso priorità più alta). – preemptive – nonpreemptive Sistemi operativi 5. 14

Round Robin (RR) • Ciascun processo prende una piccola unità di tempo di CPU (quanto di tempo), generalmente 10 -100 millisecondi. Dopo che questo tempo è trascorso, il processo è forzato a rilasciare la CPU e aggiunto alla fine della coda dei processi pronti (ready queue). • Se ci sono n processi nella ready queue e il quanto di tempo è q, ciascun processo prende 1/n del tempo di CPU in frazioni di, al più, q unità di tempo. Nessun processo attende per più di (n-1)q unità di tempo. • Performance – q grande FIFO – q piccolo q deve essere grande rispetto al tempo di context switch, altrimenti l’overhead è troppo alto. Sistemi operativi 5. 15

Esempio: RR con quanto di tempo = 20 Processo • P 1 53 P 2 17 P 3 68 P 4 24 Lo schema di Gantt è: P 1 0 • Burst Time P 2 20 37 P 3 P 4 57 P 1 77 P 3 P 4 P 1 P 3 97 117 121 134 154 162 In genere si ha un tempo medio di turnaround maggiore rispetto a SJF, tuttavia si ha una migliore risposta. Sistemi operativi 5. 16

Un quanto di tempo minore incrementa i context switch Sistemi operativi 5. 17

Tempo di turnaround varia con il quanto di tempo Sistemi operativi 5. 18

Scheduling con code multiple • La ready queue è suddivisa in code separate: foreground (interattiva) background (batch) • Ciascuna coda ha il proprio algoritmo di scheduling, foreground – RR background – FCFS • Inoltre è necessario uno scheduling tra code. – Scheduling a priorità fissa; es. serve tutti i processi in foreground poi in background. Rischio di starvation. – Time slice – ciascuna coda prende un certo tempo di CPU che può suddividere fra i propri processi. Ad esempio T 80% per foreground in RR T 20% per background in FCFS Sistemi operativi 5. 19

Code multiple con feedback • Un processo può spostarsi fra le varie code; l’aging può essere implementato in questo modo. • Lo scheduler con code multiple con feedback è definito dai seguenti parametri: – numero di code – algoritmi di scheduling per ciascuna coda – metodo impiegato per determinare quando spostare un processo in una coda a priorità maggiore – metodo impiegato per determinare quando spostare un processo in una coda a priorità minore – metodo impiegato per determinare in quale coda deve essere posto un processo quando richiede un servizio Sistemi operativi 5. 20

Esempio di code multiple con feedback • Tre code: Q 0 – quanto di tempo di 8 millisecondi. Q 1 – quanto di tempo di 16 millisecondi. Q 2 – FCFS • Scheduling – Un nuovo job viene immeso nella coda Q 0 che è servita FCFS. Quando prende possesso della CPU il job riceve 8 millisecondi. Se non termina in 8 millisecondi il job è spostato alla coda Q 1. – Nella coda Q 1 il job è ancora servito FCFS e riceve ancora 16 millisecondi. Se ancora non ha terminato, viene mosso nella coda Q 2. Sistemi operativi 5. 21

Valutazione degli algoritmi • Modellazione deterministica – prende in considerazione un carico di lavoro predeterminato e definisce le prestazioni di ciascun algoritmo per tale carico di lavoro • • Modelli di code. • Realizzazione Simulazioni Sistemi operativi 5. 22