Scheduling della CPU : Tipi di scheduling Metriche Algoritmi di scheduling classici

1. Sistemi Operativi I Corso di Laurea in Ingegneria Informatica Docente: Francesco Quaglia • Scheduling della CPU: • Tipi di scheduling • Metriche • Algoritmi di scheduling classici • Scheduling multiprocessore • Scheduling in sistemi operativi attuali (NT/UNIX)

2. Tipi di scheduling A lungo termine Decisioni sull’aggiunta di un nuovo processo all’insieme dei processi attivi A medio termine Decisioni sull’inserimento, totale o parziale di un processo attivo in memoria di lavoro Decisioni su quale processo debba impegnare la CPU A breve termine (dispatching) Di I/O Decisioni sulla sequenzializzazione di richieste da servire sui dispositivi

3. Tipi di scheduling e stati di processi Lungo termine Exit New Running Ready Blocked Breve termine Medio termine Ready Suspended Blocked Suspended

4. Scheduling a lungo termine: alcuni dettagli • Decisione di attivazione di processo • raggiungimento di un dato livello di multiprogrammazione • mistura conveniente di processi I/O bound e CPU bound • Attivazione dello scheduler • alla terminazione di un processo • su richiesta • quando la percentuale di utilizzo della CPU scende sotto valori specifici Attivazione di processo governata dalle condizioni di carico del sistema Tipicamente non controlla applicazioni interattive Tipico di sistemi batch multiprogrammati

5. Criteri per il dispatching • Orientamento all’utente • decisioni di dispatching funzione di come gli utenti percepiscono • il comportamento del sistema (es. tempo di risposta) • Orientamento al sistema • decisioni di dispatching tese a ottimizzare il comportamento del • sistema nella sua globalita’ (es. utilizzazione di risorse) • Orientamento a metriche prestazionali • approccio quantitativo • parametri facilmente misurabili (monitorabili), analizzabili • Orientamento a metriche non prestazionali • parametri tipicamente qualitativi o non facilmente misurabili

6. Criteri orientati all’utente Prestazionali • tempo di rispostaovvero il tempo necessario affinche’ un • processo inizi a produrre l'output • tempo di turnaroundovvero del tempo totale intercorrente tra l'istante di creazione e l'istante di completamento di un processo • scadenze ovvero una deadline di completamento Altri • prevedibilita’possibilita’ di supportare esecuzioni conformi a • determinati parametri indipendentemente dal livello di carico del sistema

7. Criteri orientati al sistema Prestazionali • throughputprocessi completati per unita’ di tempo • utilizzazione del processorepercentuale del tempo in cui la CPU risulta impegnata Altri • fairnesscapacita’ di evitare stairvation dei processi attivi • priorita’ capacita’ di distinguere tra livelli di priorita’ multipli dei processi attivi • bilanciameno delle capacita’ di equilibrare l’utilizzo delle risorse • risorse al fine di a

8. Priorita’, round-robin, prelazione e stairvation processore RQ0 RQ1 RQn-1 Prelazione (prerilascio) Attesa evento

9. Scheduling FCFS Caratteristiche • - i processi nello stato Ready vengono mandati in esecuzione secondo • l'ordine di inserimento nella "Ready List" • non vi e' prelazione, quindi ogni processo rimane in esecuzione • fino al suo completamento, oppure fino a che esso non rilascia la CPU • spontaneamente Svantaggi • non minimizza il tempo di attesa, e di conseguenza neanche il • tempo di turnaround • - inadeguato per la gestione di processi interattivi • puo' causare sottoutilizzo dei dispositivi di I/O a causa del fatto • che i processi interattivi non necessariamente vengono favoriti

10. Scheduling Round-Robin (time-slicing) Caratteristiche • i processi nello stato Ready vengono mandati in esecuzione a turno per • uno specifico quanto di tempo • vi e' prelazione, quindi un processo puo’ essere sospeso anche se non ha • completato la sua traccia o non vuole rilasciare la CPU spontaneamente Svantaggi • sfavorisce processi I/O bound rispetto a processi CPU bound • - non propriamente adeguato per la gestione di processi interattivi • puo' causare sottoutilizzo dei dispositivi di I/O a causa del fatto • che i processi I/O bound vengono sfavoriti Criticita’ della scelta del time-slice Impatto sul numero di quanti per attivare una richiesta di I/O

11. Scheduling Round-Robin Virtuale Separazione tra processi prelazionati e non Quanto = time-slice Priorita’ bassa Prelazionati processore Quanto = time-slice – X Priorita’ alta Back from I/O X = consumo di quanto precedente

12. Scheduling SPN Caratteristiche • - i processi nello stato Ready vengono mandati in esecuzione in funzione • della lunghezza del loro prossimo "CPU Burst". In particolare, essi • vengono mandati in esecuzione secondo ordine crescente della lughezza • del prossimo CPU burst (priorita’ legata al CPU burst) • puo' esservi (SRTN) o non prelazione. In caso negativo ogni processo • rimane in esecuzione fino al suo completamento, oppure fino a che esso non • rilascia la CPU spontaneamente, ovvero al termine del CPU Burst Vantaggi • - minimizza il tempo di attesa, e di conseguenza il tempo di turnaround • relativamente adeguato per la gestione di processi interattivi in caso di • prelazione • in generale non causa sottoutilizzo dei dispositivi in caso di prelazione Problemi • - necessita di meccanismi di predizione della lunghezza dei CPU Burst • puo' causare stairvation a causa del particolare trattamento della priorita'

13. Stima dei CPU burst Media aritmetica Media esponenziale Alpha vicino all’unita’ determina maggior peso per osservazioni recenti Impatto sulla stabilita’ in presenza di alta varianza

14. Scheduling highest response ratio next (HRRN) Proccessi selezionati in base al Rapporto di Risposta Dove : w = tempo di attesa s = tempo di servizio (di esecuzione) • favorisce gli I/O bound (caratterizzati da • piccoli valori di s) • affronta il problema della stairvation dovuto • alle priorita’

15. Scheduling feedback • Non necessita di informazioni (predette o monitorate) come • SPN, SRTN e HRRN • Uso di code di priorita’ multiple processore RQ0 processore RQ1 processore RQn-1 Quanto di tempo fisso per tutte le priorita’: stairvation sui processi molto lunghi Soluzione parziale: quanto di tempo pari a dove i e’ a priorita’

16. La realta': caratteristiche del carico Frequenza delle occorrenze Comportamento I/O Bound Comportamento CPU bound Durata di un CPU burst

17. Caratteristiche Scheduling UNIX tradizionale (SVR3 – 4.3 BSD) - code multiple con feedback - un livello di priorita' distinto per ciacuna coda - gestione di tipo Round-Robin nell'ambito di ciascuna coda Passaggio da una coda all'altra (feedback) - in caso di rientro nello stato Ready dopo un passaggio nello stato Blocked - in caso di variazione della priorita' imposto dal sistema (su base periodica) Prior. M Processi CPU bound Prior. 0 (admit level) Prior. –(N-1) (Back I/O) Prior. -N (Back from swap out)

18. Scheduling multiprocessore • Caratteristiche architetturali • processori (CPU) multiple che condividono una memoria principale • comune • i processori sono controllati da un unico sistema operativo Tightly coupled system (sistema strettamente accoppiato) • Problematiche • assegnazione dei processi ai processori • uso (o non) di politiche classiche di multiprogrammazione sui • singoli processori • selezione del’entita’ schedulabile da mandare in esecuzione

19. Assegnazione dei processi ai processori • Statica • overhead ridotto poiche’ l’assegnazione e’ unica per tutta la durata del processo • possibilita’ di sottoutilizzo dei processori • Dinamica • overhead superiore dovuto a riassegnazioni multiple • migliore utilizzo dei processori • Approccio master/slave • il sistema operativo viene eseguito su uno specifico processore • richiesta esplicita di accesso a stutture del kernel da parte degli altri processori • semplicita’ di progetto (estensione di kernel classici per monoprocessori) • Approccio peer • il sistema operativo viene eseguito su tutti i processori • problemi di coerenza di informazione del kernel (sincronizzazione delle azioni) • complessita’ di progetto

20. Multiprogrammazione sui singoli processori? • Non piu’ mandatorio • quando sono disponibili molti processori, il livello di utilizzo del processore • non e’ piu’ un fattore cosi’ critico (dato il costo proporzionalmente ridotto • del processore rispettoa quelli dell’intera architettura) • rientra in gioco la metrica del tempo di turnaround delle applicazioni • Monoprogrammazione su multiprocessori • un’unica coda di applicazioni in attesa di assegnazione di processore • 1) costo non minimale di sincronizzazione degli accessi alle strutture dati • del kernel in caso di modello di sistema peer • 2) buona distribuzione del carico • code multiple di distribuzione delle applicazioni sui processori • 1) costo di sincronizzazione di accesso a strutture dati del kernel limitato • 2) possibilita’ di sbilanciamento del carico

21. Scheduling di processi Limitato impatto della politica di selezione 1 processore 2 processori Throughput RR/throughput FCFS 1 Coefficiente di variazione Deviazione standard tempo di servizio Tempo di servizio medio

22. Scheduling di threads • Fattori nuovi • la decomposizione di applicazioni in threads introduce criteri di selezione • innovativi rispetto alle priorita’ classiche (interattivita’) • un processo puo’ essere sia CPU che I/O bound dipendendo dal • comportamento dei singoli thread che lo compongono Ritardo addizionale Synchronization I/O Thread A Thread B Thread A Synchronization I/O Thread B Thread A Thread A

23. Politiche di scheduling di threads (I) • Load sharing • coda globale di threads pronti ad eseguire • possibilita’ di gestire priorita’ • distribuzione uniforme del carico • non necessita scheduler centralizzato (problemi • di efficienza in caso di larga taglia dell’architettura) • ridotta efficienza del caching in caso di cambio di • processore da parte dei thread FCFS SNTF (smallest number of threads first), con e senza preemption • Processore dedicato • ogni thread di un processo viene eseguito si di uno specifico processore • (valido per architettue con elevato numero di processori) • opposto alla politica load sharing • criticita’ del numero di processori dedicati ad un dato processo (legato all’ • activity working set) – possibilita’ di thrashing del processore

24. Politiche di scheduling di threads (II) • Gang scheduling • si seleziona un insieme di thread correlati da eseguire su un insieme di • processori • riduzione del costo di sincronizzazione e del costo di cambio di processi • riduzione dell’overhead di scheduling (decisioni singole per assegnazioni • multiple) |gang| Time slicing uniforme Time slicing pesato #processori Gang A Gang B Gang A Gang B Processori occupati Processori liberi

25. Scheduling UNIX SVR4 Caratteristiche • 160 livelli di priorita’ • 3 classi di priorita’: Tempo Reale (159-100), Kernel (99-60), • Time-Sharing (59-0) • kernel preemptabile(identificazione di safe places) • bitmap per determinare i livelli non vuoti • quanto di tempo variabile in funzione della classe e, in alcune • classi, del livello Sequenza di scheduling Tempo reale (159-100) Kernel (99-60) Time sharing (99-60)

26. Caratteristiche Scheduling in NT • code multiple distinte in due fasce: Real-Time e Varible • un livello di priorita' distinto per ciacuna coda (0-15 nella fascia Variable • e 16-31 nella fascia Real-Time) • gestione di tipo Round-Robin nell'ambito di ciascuna coda • priorita’ base per i processi • priorita’ dinamica entro vincoli per i threads (base –2 come limite inferiore) • prerilascio basato su piorita’ Passaggio da una coda all'altra (feedback) • non ammesso nella fascia Real-Time • ammesso nella fascia Variable (rilascio della CPU allo scadere del quanto • provoca diminuzione della priorita', rilascio anticipato provoca incremento) Real-Time (16-31) Variable (0-15)

27. Priorita’ dei threads in NT Livello 15 Classe variable (0-15) Priorita’ base di processo Livello 0 Priorita’ base di thread