Transcript processo

Escalonamento
Prof. Alexandre Monteiro
Recife
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Contatos

Prof. Guilherme Alexandre Monteiro Reinaldo

Apelido: Alexandre Cordel

E-mail/gtalk: [email protected]
[email protected]

Site: http://www.alexandrecordel.com.br/fbv

Celular: (81) 9801-1878
Computador Moderno
Fonte: Tanenbaum, Modern Operating Systems 3 ed, São Paulo p.1, 2010 Prentice-Hall, Inc. All rights reserved.
Mais uma vez: O que é um SO?

É uma Máquina Estendida
•Oculta os detalhes complicados que têm quer
ser executados
•Apresenta ao usuário uma máquina virtual,
mais fácil de usar

É um Gerenciador de Recurso
•Cada programa tem um tempo com o recurso
- Ex.: compartilhamento de CPU
•Cada programa tem um espaço no recurso
- Ex.: compartilhamento de memória
História dos SO’s

Primeira geração: 1945 - 1955
•Válvulas, painéis de programação

Segunda geração: 1955 - 1965
•transistores, sistemas em lote

Terceira geração: 1965 – 1980
•CIs (circuitos integrados) e multiprogramação

Quarta geração: 1980 – presente
•Computadores pessoais

Hoje: onipresença – computação ubíqua
Revisão sobre hardware de
computadores (1)
Componentes de um computador pessoal simples
6
Revisão sobre hardware de
computadores (2)
(a) Um pipeline de três estágios
(b) Uma CPU superescalar
7
Revisão sobre hardware de
computadores (3)

Típica hierarquia de memória
• números mostrados são apenas aproximações
8
Registradores




Registradores de propósito geral: armazena variáveis
importantes e resultados temporários
Contador de Programas: contém o endereço de memória
da próxima instrução a ser buscada. Depois que busca é
atualizado para apontar a próxima instrução.
Ponteiro de Pilha: aponta para o topo da pilha atual na
memória. A pilha contém uma instrução
PSW (program status word – palavra de estado do
programa): contém os bits de códigos de condições de
instruções de comparação, pelo nível de prioridade da CPU.
Conceitos Básicos
Chamadas ao Sistema (System Call)

Modo usuário:
•Aplicações não têm acesso direto aos
recursos da máquina, ou seja, ao hardware;
•Quando o processador trabalha no modo
usuário, a aplicação só pode executar
instruções sem privilégios, com um acesso
reduzido de instruções;
•Por que? Para garantir a segurança e a
integridade do sistema;
10
Conceitos Básicos
Chamadas ao Sistema (System Call)

Modo Kernel:
•Aplicações têm acesso direto aos recursos da
máquina, ou seja, ao hardware;
•Operações com privilégios;
•Quando o processador trabalha no modo
kernel, a aplicação tem acesso ao conjunto
total de instruções;
•Apenas o SO tem acesso às instruções
privilegiadas;
11
Conceitos Básicos
Chamadas de Sistema (System Call)


Se uma aplicação precisa realizar alguma instrução
privilegiada, ela realiza uma chamada ao sistema (system
call), que altera do modo usuário para o modo kernel;
Chamadas de sistemas são a porta de entrada para o modo
Kernel;
• São a interface entre os programas do usuário no modo usuário
e o Sistema Operacional no modo kernel;
• As chamadas diferem de SO para SO, no entanto, os conceitos
relacionados às chamadas são similares independentemente
do SO;
12
Conceitos Básicos
Chamadas de Sistema

TRAP: instrução que permite o acesso ao modo kernel;

Exemplo:
•Instrução do UNIX:
count = read(fd,buffer,nbytes);
Arquivo a ser lido
Bytes a serem lidos
Ponteiro para o Buffer
O programa sempre deve checar o retorno da chamada de
sistema para saber se algum erro ocorreu!!!
13
Chamadas ao Sistema
Endereço
0xFFFFFFFFF
Retorno
TRAP
5 Colocar o código para
read no registrador
6
READ
10
4
Espaço
do
Usuário
Biblioteca do
Procedimento
3
2
1
Incrementa SP 11
Comando read
Empilha fd
Empilha &buffer
Empilha nbytes
Chamada ao
Procedimento
READ
9
Tabela de ponteiros para Chamadas
Kernel
SO
Endereço 0
Dispatch
7
8
Manipulador
de Chamadas
14
Introdução a Processos

Em um sistema multiprogramado vários programas estão
na RAM e são executados concorrentemente
•A CPU permuta entre programas,
executando cada um por dezenas/centenas
de milisegundos.
- Uma CPU só pode executar um programa por vez.
•Mas no curso de 1’’ uma CPU pode executar
diversos programas ilusão de paralelismo
(pseudoparalelismo)
- Verdadeiro paralelismo = sistema multiprocessado
Introdução a Processos





O conceito de processo é a base para a implementação
de um sistema multiprogramável
A gerência de um ambiente multiprogramável é função
do SO, o qual controla a execução dos programas e o uso
concorrente da CPU
Neste contexto um programa esta associado a um
processo
OBS: Apesar de denominações como tarefa ou job ainda
serem usadas com o mesmo sentido, o termo processo é
atualmente o mais utilizado.
job = tarefa = processo
Introdução a Processos

Vantagens da Multiprogramação:
• Aumento da taxa de utilização do
processador
• Melhor utilização dos recursos em geral
• Redução do tempo de execução de um
conjunto de programas
• Dá a ideia ao usuário de que ele possui
uma máquina só para si.
Introdução a Processos

Um processo é formado por três partes
•Contexto de Hardware
•Contexto de Software
•Espaço de endereçamento


Estas três partes mantêm todas as informações
necessárias à execução de um programa
Quando um processador troca de processo
caracteriza uma mudança de Contexto de
Execução
Estado do Processo

Para haver o compartilhamento da CPU em um sistema
multiprogramável, os processos passam por diferentes
estados ao longo do seu processamento
• A troca de estado ocorre em função de eventos gerados pelo
próprio processo (voluntário) ou pelo SO (involuntário)

Os estados em que um processo pode se encontrar
variam de sistema para sistema mas, de uma maneira
geral, pode-se citar:
• Executando (Running)
• Pronto (ready)
• Bloqueado (blocked) – Também conhecido com Espera (Wait)
• Terminado (exit)
Troca de Contexto
Conceito de Escalonamento


Para cada estado existe uma Fila que contém os PCBs.
Nas transações entre estados, o PCB do processo é movido
entre as filas apropriadas.
Concorrência



São formas diferentes de implementar concorrência
Busca-se subdividir o código em partes que permitam o
trabalho cooperativo entre estas partes
São elas:
•Processos Independentes
•Subprocessos
•Threads
Thread

Ambiente Monothread
• Em um ambiente monothread um processo só suporta um
programa no seu espaço de endereçamento
• Neste ambiente aplicações concorrentes são implementadas só
com o uso de processos independentes ou subprocessos
- Nestes casos a aplicação é dividida em partes que podem
trabalhar concorrentemente.

De forma simplificada um thread pode ser definido
como uma sub-rotina de um programa que pode ser
executada de forma assíncrona. Ou seja, executada
paralelamente ao programa chamador.
Thread

A grande diferença entre ambientes monothread e
multithread está no uso do espaço de endereçamento
• Processos independentes ou subprocesso possuem espaços de
endereçamento individuais e protegidos
• Multithreads compartilham o espaço de endereçamento dentro
de um mesmo processo
- Como os threads compartilham o mesmo espaço de
endereçamento, não se exige mecanismos para proteção no
acesso a memória
- Isso permite que o compartilhamento de dados entre threads de
um mesmo processo seja mais simples e rápido
Ambiente Multithread

Cada thread possui seu próprio contexto de HW, porém
divide o mesmo contexto de SW e espaço de
endereçamento com os demais threads do processo
Vantagens de Mutithreading



Tempo de criação/destruição de threads é inferior ao
tempo de criação/destruição de processos
Chaveamento de contexto entre threads é mais rápido em
tempo que chaveamento entre processos
Como threads compartilham o descritor do processo que as
contem, elas dividem o mesmo espaço de endereçamento o
que permite a comunicação por memória compartilhada,
sem interação com o núcleo
Comunicação Interprocessos



Os processos podem precisar trocar informações entre eles
ou podem solicitar a utilização de um mesmo recurso
simultaneamente, como arquivos, registros, dispositivos de
E/S e memória.
O compartilhamento de recursos entre vários processos
pode causar situações indesejáveis e, dependendo do caso,
gerar o comprometimento da aplicação.
O Sistema Operacional tem a função de gerenciar e
sincronizar processos concorrentes, com o objetivo de
manter o bom funcionamento do sistema.
Regiões Críticas




Para se evitar uma condição de corrida é preciso definir
métodos que proíba que mais de um processo acesse uma
determinada área de memória compartilhada ao mesmo
tempo.
Esses métodos são conhecidos como exclusão mútua ou
MUTEX (MUTual EXclusion).
A parte do programa no qual o processo acessa memória
compartilhada é chamada seção crítica ou região crítica.
Dessa forma, a solução para se evitar uma condição de
corrida seria organizar os problemas de tal forma que
nenhum de dois ou mais processos estivessem em suas
regiões críticas ao mesmo tempo.
Regiões Críticas (2)
Espera Ativa
Exclusão mútua usando regiões críticas
proposta de exclusão mútua na qual, um processo quando está acessando
sua região crítica, outro processo que deseja entrar também em região
crítica fica aguardando.
29
Algoritmos de Exclusão Mútua

MUTEXES

Semáforo

Monitores

Produtor x Consumidor

Dormir x Acordar

Troca de Mensagens

Barreiras

Jantar dos Filósofos

Barbeiro Sonolento

Leitor xEscritor
Objetivos do Escalonamento





Maximizar a utilização do processador
Maximizar o nº de processos executados por unidade de
tempo (throughput)
Minimizar o tempo total de execução de um processo
(turnaround)
Minimizar o tempo de espera (na lista de processos aptos)
Minimizar o tempo de resposta decorrido entre a requisição
e sua realização
Características de Escalonamento

Justiça (fairness)
• Todos os processos têm chances iguais de uso dos processador

Eficiência
• Taxa de ocupação do processador ao longo do tempo

Tempo de Resposta
• Tempo entre a ocorrência de um evento e o termino da ação
correspondente

Turnaround
• “Tempo de resposta” para usuários em batch
• Minimizar o tempo que usuários batch devem esperar pelo
resultado

Throughput
• No. de “jobs” (processos) executados por unidade de tempo
Situações típicas para execução do
escalonador

Depende se o escalonador é preemptivo ou não- preemptivo, se considera
prioridades ou não:

Sempre que a CPU estiver livre e houver um processo apto para executar

Criação e término de processos

Um processo de mais alta prioridade ficar pronto para executar

Interrupção de tempo
• Processo executou por um período de tempo máximo permitido

Interrupção de E/S

Interrupção de Falta de Página em Memória
• Endereço acessado não está carrego na memória (memória virtual)

Interrupção por erro
Chaveamento de Contexto
(Dispatcher)
Níveis de escalonamento

Longo Prazo

Médio Prazo

Curto Prazo
Diagrama de Escalonamento
Filas de Escalonamento

High-level (Longo Prazo)
• Decide quantos programas são admitidos no sistema
• Aloca memória e cria um processo
• Controla a long-term queue

Short-term (Curto prazo)
• Decide qual processo deve ser executado
• Controla a short-term queue

I/O (Médio prazo)
• Decide qual processo (com I/O) pendente deve ser tratado pelo
dispositivo de I/O
• Controla a I/O queue
Filas de Escalonamento
Short-term
scheduling
Process
request
Longterm
queue
High-level
scheduling
Interrupt
of process
Interrupt
from I/O
Interrupt
Handler
Shortterm
queue
CPU
I/O
I/O
queue
I/O
I/O
queue
I/O
I/O
queue
FIM
I/O scheduling
Algoritmos de Escalonamento

Algoritmos Não-Preemptivos (cooperativos)
• First-In-First-Out (FIFO) ou First-Come-First-Served (FCFS)
• Shortest Job First (SJF) ou Shortest Processo Next (SPN)

Algortimos Preemptivos
• Round Robin (Circular)
• Baseado em Prioridades
• Híbridos
- Partições de Lote (Batch)
- MFQ - Multiple Feedback Queue

Existem outros algoritmos de escalonamento
• High Response Ratio Next (HRRN)
• Shortest Remaining Time (SRT)
• Ect...
Escalonamento


Preemptivo
Permite a suspensão temporária de processos
Quantum ou time-slice: período de tempo durante o qual
um processo usa o processador a cada vez
Preempção
T12
mP1
T11
1
T0
41 51
T22
70
T0
90
121
t
Quantum


Quando uma tarefa recebe o processador, o núcleo ajusta um
contador de ticks que essa tarefa pode usar, ou seja, seu quantum
é definido em número de ticks.
A cada tick, o contador é decrementado; quando ele chegar a
zero, a tarefa perde o processador e volta à fila de prontas.
Nova visão dos Estados do Processo
Troca de Contexto
5 ms
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Políticas de Escalonamento
Round-Robin

Uso de uma lista de processos sem prioridade

Escalonamento preemptivo

Simples e justo

Bom para sistemas interativos
CPU:Running
Tar. A
Contexto
Tar. A
Contexto
Tar. B
Contexto
Tar. C
Contexto
Tar. A
Contexto
Round Robin



Cada processo recebe um tempo limitado (time slice = quantum) para
executar um ciclo de processador
Fila de processos aptos é circular
Necessita de relógio para delimitar as fatias de tempo (interrupção de
tempo/relógio)
∞) obtem-se o comportamento de um escalonador FIFO.

Se o (quantum =

Tamanho do quantum igual prejudica processos I/O bound (prioridade)
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Políticas de Escalonamento
First-In First-Out (FIFO)

Uso de uma lista de processos sem prioridade (Fila)

Escalonamento não-preemptivo

Simples e justo

Bom para sistemas em batch (lote)
CPU
A
FIM
B
C
D
E
F …
N
1. Processo aptos inseridos no final da fila
2. Processo no início da fila é o próximo.
3. Processo executa até terminar, libere o
processador ou realize um chamada de sistema
Políticas de Escalonamento
First-In First-Out (FIFO)
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Políticas de Escalonamento
Híbridos
Partições de Lote (Batch)
MFQ - Multiple Feedback Queue

Como combinar processos batch com interativos?

Uso de Partições de Lote (batch)
•O sistema aceita tantos processos batch quantas
forem as partições de lote
•O sistema aceita todos os processos interativos
•Escalonamento em dois níveis
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Escalonamentos Híbridos
Partições de Lote
Memória
Processos interativos
são ativados
imediatamente
Processos
Interativos
Processos batch esperam a liberação do lote
Partição
de Lote
A
B
C
D
E
F …
N
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Escalonamentos Híbridos
Multiple Feedback Queue

Como saber a priori se o processo é CPU-bound ou I/Obound?

MFQ usa abordagem de prioridades dinâmicas

Adaptação baseada no comportamento de cada processo

Usado no VAX / VMS (arquiteturas de computadores)
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Escalonamentos Híbridos
Multiple Feedback Queue

Novos processos entram na primeira fila (prioridade mais alta)

Se acabar o quantum desce um nível

Se requisitar E/S sobe um nível
• Lembrando: I/O-bound são prioritários
...
...
Fila 1 Q
u
a
Fila 2 n
t
u
m
...
Fila n
P
r
i
o
r
i
d
a
d
e
Round-Robin FIFO Híbrido SJF SRJN
Escalonamentos
baseados no tempo de execução

Shortest Job First (não-preemptivo)

Shortest Remaining Job Next (preemptivo)

Melhora o tempo de resposta

Não é justo: pode causar estagnação (starvation)
• Pode ser resolvida alterando a prioridade dinamicamente
Exemplo de escalonamento job mais curto primeiro (Shortest Job First – SJF)
Shortest Job First
Shortest Job First



Algoritmo ótimo, fornece o menor tempo médio de espera para um conjunto de
processos
Processos I/O bound são favorecidos
Dificuldade é determinar o tempo do próximo ciclo de CPU de cada processo,
porém:
• Pode ser empregado em processos batch (long term scheduler)
• Prever o futuro com base no passado
Escalonamento em Sistemas Interativos
Um algoritmo de escalonamento com quatro
classes de prioridade
55
Como definir a Prioridade?





Prioridade Estática:
Processo é criado com determinada prioridade e esta é
mantida durante todo o processo.
Prioridade Dinâmica:
Prioridade é ajustada de acordo com o estado de execução
do processo e/ou sistema.
Ex. ajustar a prioridade em função da fração de quantum
que foi realmente utilizada pelo processo.
• q = 100ms
• Processo A = 2ms -> nova prioridade = 1/0.02 = 50
• Processo B = 50ms -> nova prioridade = 1/0.5 = 2