Studiengang Informatik FHDW Vorlesung Betriebssysteme III Scheduling 3

Studiengang Informatik FHDW Vorlesung: Betriebssysteme III Scheduling 3. Quartal 2011 Vorlesung: 1 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Was ist das denn? Haben Sie eine Idee für die grundsätzlichen Verfahren? Welche Kriterien würden Sie für Scheduling. Verfahren verwenden? Was denken Sie, welche Verfahren bei der Umsetzung aktueller BS in der Praxis Anwendung finden? Vorlesung: 2 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Ein (Scheduler = Steuerprogramm) ist eine Arbitrationslogik, die zeitliche Ausführung mehrerer Prozesse in Betriebssystemen regelt. Prozess-Scheduler kann man grob in unterbrechende (preemptive) und nicht unterbrechende (non preemptive, auch kooperativ genannt) aufteilen. Nicht unterbrechende Scheduler lassen einen Prozess, nachdem ihm die CPU einmal zugeteilt wurde, solange laufen, bis dieser diese von sich aus wieder freigibt oder bis er blockiert. Unterbrechende Scheduler teilen die CPU von vornherein nur für eine bestimmte Zeitspanne zu und entziehen dem Prozess diese daraufhin wieder. Weiter ist eine Unterscheidung in "work-conserving" und "non workconserving" Strategien möglich. Eine Scheduler-Strategie arbeitet "workconserving", wenn das Umschalten zwischen Prozessen nur eine vernachlässigbar geringe Zeit in Anspruch nimmt. [1] Man kann verschiedene Systeme unterscheiden, in welchen jeweils verschiedene Anforderungen an den Scheduler gestellt werden: Stapelverarbeitungssysteme interaktive Systeme Echtzeitsysteme Vorlesung: 3 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Ziele Die Zuteilung der CPU an die Prozesse sollte bestmöglich erfolgen, wobei (abhängig vom ausführenden System) allerdings unterschiedliche Ziele verfolgt werden können: Allgemein Fairness: Kein Prozess sollte unverhältnismäßig lange warten müssen, während ein anderer bevorzugt wird. Balance: Die Prozesse sollten der CPU auf eine Weise zugeteilt werden, dass auch andere Ressourcen wie Festplatte, Netzwerk-Schnittstelle u. a. ausgelastet sind. Einhaltung der Systemregeln Vorlesung: 4 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Ziele Stapelverarbeitungssysteme CPU-Auslastung: Die CPU sollte zu jeder Zeit ausgelastet sein. Es soll nicht vorkommen, dass die CPU sich im Leerlauf befindet, nur weil ein Prozess auf Daten von der Festplatte wartet. Durchsatz: Die Anzahl beendeter Aufgaben pro Zeiteinheit sollte maximiert werden. Dies ergibt eine ähnliche Strategie wie die Auslastung, betrachtet aber mehr das tatsächliche Ergebnis. kurze Turnaroundzeit (Durchlaufzeit): Die Zeit, die von der Ankunft eines Prozesses bis zu seiner vollständigen Beendigung vergeht, sollte minimiert werden. Vorlesung: 5 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Ziele Interaktive Systeme (Dialogsysteme) Schnelle Antwortzeiten: Die Wartezeiten des Benutzers (oder anderer Systeme) sollten minimiert werden. Prozesse, die eine Interaktion mit dem Benutzer erfordern, sollten also bevorzugt werden vor solchen, die im Hintergrund stattfinden können. Proportionalität: Die Antwortzeiten verschiedener Prozesse sollten den Erwartungen des Benutzers entsprechen. Werden Prozesse (wie z. B. das Schließen einer Anwendung) vom Benutzer als simpel betrachtet, sollten diese auch schnell ausgeführt werden. Vorlesung: 6 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Ziele Echtzeitsysteme Deadlines einhalten Vorhersagbarkeit: Wichtig für Multimedia. Anwendungen (da sonst z. B. Verschlechterung der Tonqualität droht) Vorlesung: 7 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Strategien: Strategien Das größte Problem des Schedulers ist die Tatsache, dass die benötigten Betriebsmittel für die einzelnen Prozesse nicht im Vorfeld bekannt sind. Es lässt sich also im Allgemeinen keine optimale Planung erstellen, sondern der Scheduler muss dynamisch auf geänderte Anforderungen reagieren. Dabei können (abhängig vom Scheduler) verschiedene Zuteilungsstrategien zum Einsatz kommen. Unter anderem: Vorlesung: 8 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Strategien: First-Come First-Served (FCFS, FIFO): Hierbei werden alle Prozesse in der Reihenfolge ihres Eingangs bearbeitet. Eine Neuzuteilung der Prozesse findet erst statt, wenn der laufende Prozess zu warten beginnt oder seine Ausführung beendet ist. Diese Strategie erzielt eine gute Auslastung bezüglich der CPU, allerdings nicht bezüglich Ressourcen, die längere Zeit für eine Anforderung benötigen können, wie z. B. Ein/Ausgabe oder Massenspeicher. Für Mehrbenutzersysteme ist die Strategie darüber hinaus wenig geeignet, da einzelne Benutzer so ggf. für längere Zeit (nämlich bei aufwendigen Prozessen anderer Benutzer) ausgeschlossen werden. Vorlesung: 9 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Strategien: Shortest Job First (SJF, SPT) ist ein weiteres Verfahren, das nicht für Mehrbenutzersysteme geeignet ist. SJF lässt sich in Fällen einsetzen, in denen die benötigte Rechenzeit für einzelne Aufgaben aus Erfahrungswerten gut vorhergesagt werden kann. Ein Nachteil ist, dass große Prozesse u. U. niemals die CPU zugeteilt bekommen, wenn sich immer kürzere Jobs vordrängeln. Vorlesung: 10 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Strategien: Shortest-Remaining-Time, Shortest. Remaining-Processing-Time entspricht dem SPT-Verfahren. Anders als beim SPTVerfahren wird hier ein Prozesswechsel durchgeführt, wenn ein neu ankommender Prozess eine kürzere Ausführungszeit aufweist, als die verbleibende des aktuellen Prozesses. Vorlesung: 11 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Strategien: Round Robin (Zeitscheibenverfahren): Einem Prozess wird die CPU für eine bestimmte (kurze) Zeitspanne zugeteilt. Danach wird der Prozess wieder hinten in die Warteschlange eingereiht. Vorlesung: 12 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Strategien: Earliest Due Date: Bei dieser Strategie werden diejenigen Prozesse zuerst ausgeführt, welche die geringste Deadline haben. Voraussetzung dafür sind statische Deadlines und gleichzeitiges Eintreffen von einander unabhängiger Tasks. Dieses nichtunterbrechende Verfahren ist ideal, um die maximale Verspätung zu minimieren. Vorlesung: 13 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Strategien: Prioritätsscheduling: Bei dieser Strategie wird jedem Prozess eine Priorität zugeordnet. Die Abarbeitung erfolgt dann in der Reihenfolge der Prioritäten. Da es sich dann (innerhalb der gleichen Prioritäten) um eine Strategie der Eingangsreihenfolge handelt, wird diesem Verfahren meistens noch ein Zeitscheibenverfahren untergeordnet (diese nennt man dann u. a. auch Multilevel Feedback Queue Scheduling, Shortest-Elapsed-Time (SET) ), um trotzdem eine schnelle Antwortzeit zu ermöglichen. Zusätzlich wird in den verbreiteten Schedulern mit dynamischen Prioritäten gearbeitet, wobei sich die Priorität eines Prozesses mit der Zeit erhöht, damit auch niedrig priorisierte Prozesse irgendwann bearbeitet werden und nicht ständig von höher priorisierten Prozessen verdrängt werden. Vorlesung: 14 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Strategien: Terminabhängige Ablaufplanung: Diese Strategie kommt hauptsächlich in Echtzeitsystemen vor. Dabei werden die Prozesse bevorzugt verarbeitet, die als erstes beendet sein müssen. Damit ist es möglich, eine definierte Antwortzeit für bestimmte Prozesse zu garantieren. Vorlesung: 15 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Verfahren: Scheduling-Verfahren I Completely Fair Scheduler (CFS), neuester Scheduler von Linux seit 2. 6. 23 Coscheduling COVERT (Cost Over Time) Deadline Monotonic Scheduling (DMS) Earliest Deadline First (EDF) (Planen nach Fristen) Fair-Share-Scheduling First Come First Serve (FCFS) bzw. First In – First Out (FIFO) Generalized Processor Sharing (GPS) Gruppenscheduling Highest Response Ratio Next (HRRN) Least Laxity First (Planen nach Spielraum) Least recently used (LRU) Vorlesung: 16 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Verfahren: Scheduling-Verfahren II Lotterie-Scheduling Multilevel Feedback Queue Planen durch Suchen Prioritätsscheduling (PS) Priority Exchange Server Rate Monotonic Scheduling (RMS) (Planen nach monotonen Raten) Round-Robin-Strategie Shortest-Job-First Shortest-Process-Next (SPN) Shortest-Remaining-Time (SRT) Soft_affinity (SA) Sporadic Scheduling Three-Level-Scheduling Weighted Round Robin (WRR) Vorlesung: 17 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling-Verfahren Completely Fair Scheduler (CFS) (Scheduler für Linux seit 2. 6. 23 ) Der Completely Fair Scheduler (kurz CFS) ist ein Prozess-Scheduler in der Informatik. Solche Scheduler werden verwendet, um die Priorität von Programmabläufen auf Kernelebene von Betriebssystemen zu verwalten. CFS wurde von Ingo Molnár entwickelt und ersetzte mit der Linux-Kernelversion 2. 6. 23 im Oktober 2007 den zuvor implementierten O(1)-Scheduler. Der CFS garantiert eine faire Aufteilung der Prozessorzeit. Er verzichtet im Gegensatz zum O(1)-Scheduler auf Heuristiken und Statistiken. Im Idealfall läuft beim CFS jeder Task quasiparallel in gleicher Geschwindigkeit. Der CFS kennt keine Runqueue, keine Timeslices und kein Array-Switching, weil es kein expired-Array gibt. Stattdessen ist jedem Prozess ein wait_runtime-Wert zugeordnet, der auf Nanosekunden genau bestimmt ist, und eine Aussage darüber macht, wie lange der Prozess auf seine Ausführung wartet. Derjenige Prozess mit höchster wait_runtime wird gewählt. Als Struktur wird dafür ein nach der wait_runtime sortierter Rot-Schwarz-Baum verwendet. [1] Vorlesung: 18 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Prozess-Scheduling Grundsätzliches Verfahren Kriterien für Scheduling-Verfahren Round-Robin-Scheduling Prioritäts-Scheduling Mehrere Schlangen Shortest-Job-First Garantiertes Scheduling Zweistufiges Scheduling Umsetzung bei den aktuellen BS in der Praxis Vorlesung: 19 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Scheduling Detaillierte Diskussion der Scheduling-Verfahren Verschiedene Kriterien Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Verfahren Round-Robin-Scheduling Prioritäts-Scheduling Zweistufiges Scheduling Umsetzung bei den aktuellen BS in der Praxis Beispiel Windows NT 4. 0 Aufbau und Architektur von Windows-NT 4. 0 (siehe auch White-Paper) Vorlesung: 20 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Speicherverwaltung Aufgaben der Speicherverwaltung Einfache Speicherverwaltung Fragmentierung (interne / externe) Verschiebbarkeit (Relocation) Organisationsformen (Bitmap, verkettete Listen. . ) Virtueller Speicher Segmente, Seitenrahmen Vorlesung: 21 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Speicherverw. Allgemeine Speicherverwaltung Virtuelle Speicherverwaltung Paging / Demand Paging Caching Swapping Verschiedene Realisierungen bei aktuellen Betriebssystem-Varianten Translation Look. Aside Buffer (TLAB) Thrashing Lokalitätsprinzip Working Set Vorlesung: 22 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Wg. Betriebssysteme: Speicherverwaltung am Beispiel von Linux Paging Das Virtuelle Speichermodell Die Page Table im Detail Page Allocation und Page Deallocation Memory Mapping & Demand Paging Caching Die verschiedenen Caches Swapping Auslagern von Speicherseiten Der Kernel Swap Demon (kswapd) Freimachen von Speicherseiten Vorlesung: 23 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Wg. Betriebssysteme: Speicherverwaltung bei Linux Paging, Caching, Swapping Ein- /Ausgabe-System Anforderungen Physisches Ein- /Ausgabe-System Aufgaben eines Gerätetreibers Polling / Interrupt Logisches Ein- /Ausgabe-System Dateiverwaltung Dateikonzept (Datei, Dateisystem) Vorlesung: 24 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Dateiverwaltung Dateikonzept (Datei, Dateisystem) Dateiorganisation logische Struktur Zugriffsformen Sequentieller Zugriff Wahlfreier Zugriff Indexsequentieller Zugriff Speicherplatzzuordnung und -Verwaltung Verzeichnisse Datenträger- Organisation Beispiel: Virtuelle Maschinen und Dateisysteme Vorlesung: 25 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Dateiverwaltung Datenträger-Organisation Sicherheit und Zugriffsschutz Leistungsverbesserungen Systemdienste zur Dateiverwaltung Praktische Beispiele für den Einsatz von Dateisystemen (MS-DOS, NTFS, ext 2. . . ) Vorlesung: 26 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Betriebssysteme: Aktuelles Nach der kurzen Wiederholung der wichtigsten Begrifflichkeiten und Zusammenhänge werden aktuelle Entwicklungen und Tendenzen im Umfeld der Betriebssysteme und Netzwerke zur Motivation gegeben. Wovon haben Sie gehört? Was wird benötigt? Verschiedene Anwendungs /Einsatzbereiche Kosten- /Nutzen Betrachtungen Praktische Beispiele und Ausblick Vorlesung: 27 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

ENDE Fragen? Vorlesung: 28 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Quellen · Tannenbaum, Andrew, Moderne Betriebssysteme · M. Weber, Foliensatz Universität Ulm · Microsoft Whitepapers · Novell Brainshare 2004 · Novell Papers 2003 / 2004 · Novell Tour 2004 · Präsentation Oracle 2004 · Präsentation Targosoft 2004 · Präsentation Matsushita 2004 · Quelle Wikipedia aktuell aus Februar 2011 Vorlesung: 29 Betriebssysteme / Netze III 2011 Prof. Dr. G. Hellberg