Gestione di file (parte II) Gestione di richieste concorrenti

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1 Gestione di file (parte II) done (2) from host (1) cache write (3) read (4) disk mechanism disk controller Dario Maio 1 Gestione di richieste concorrenti!in un ambiente multiprogrammato e multiutente, il sistema operativo deve gestire richieste concorrenti per l accesso alle varie risorse del sistema di calcolo (memoria principale, CPU, dischi, ecc.).!il sistema operativo deve adottare opportune politiche per lo scheduling delle risorse, mirate a ottimizzarne lo sfruttamento, garantendo al contempo equità nel servizio delle richieste. Diagramma degli stati di un processo new ready running halted waiting 2 Page 1

2 I/O I/O queue Un modello a rete di code!l esecuzione di un job può essere modellata come una sequenza di richieste d uso della CPU (CPU burst) intervallate da richieste di I/O (I/O burst). scheduling della CPU : un modello a rete di code partially executed swapped-out processes ready queue I/O CPU I/O queue I/O.. 3 Politiche di gestione dei dischi!fcfs (First-Come-First-Served): le richieste sono servite in ordine di arrivo.!sstf (Shortest-Seek-Time-First): è servita per prima la richiesta che comporta il minimo spostamento del braccio.!scan (Algoritmo dell'ascensore): le richieste sono servite nell'ordine in cui le tracce sono visitate dal braccio in moto continuo da un estremo all'altro delle superfici.!c-scan (SCAN Circolare): variante dello SCAN in cui non c è servizio durante il moto di ritorno del braccio.!look e C-LOOK: varianti di SCAN e C-SCAN in cui il braccio si muove effettivamente solo a fronte di richieste (con cambio di direzione in assenza di richieste). 4 Page 2

3 Esempio gestione dischi (1) Disco con 256 cilindri (numerati da 0 a 255) Coda di attesa (alle tracce): 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 Braccio inizialmente posizionato sulla traccia 53 (in moto verso la traccia 0). Ordine di Servizio secondo le diverse Politiche: FCFS:98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67 (mov. totale del braccio: 640 tracce) SSTF:65, 67, 37, 14, 98, 122, 124, 183 (mov. totale del braccio: 236 tracce) SCAN:37, 14, 0, 65, 67, 98, 122, 124, 183 (mov. totale: 256 tracce per ogni insieme di richieste) C-LOOK:65, 67, 98, 122, 124, 183, 14, 37 (mov. totale del braccio: 322 tracce) 5 Confronto fra le diverse politiche FCFS SSTF SCAN C-LOOK!In generale SSTF dà luogo a un minore tempo di risposta medio, ma con una varianza maggiore rispetto, ad es., a FCFS.!Algoritmi più recenti, pensati per essere eseguiti direttamente dal controllore del disco, prendono in considerazione anche il ritardo di rotazione, e quindi usano informazione relativa agli effettivi settori che si vogliono leggere/scrivere. 6 Page 3

4 Livelli di Cache!In una gerarchia di memorie si distinguono diversi livelli di cache. La cache più veloce e di minori dimensioni è quella più vicina alla CPU e scendendo lungo la gerarchia si incontrano cache più lente e generalmente di maggiori dimensioni. Dunque ogni livello mantiene una copia parziale dell informazione del livello sottostante. Level Level 1 Cache Level 2 Cache System RAM Hard Disk / CD- ROM Devices Cached Level 2 Cache, System RAM, Hard Disk / CD-ROM System RAM, Hard Disk / CD- ROM Hard Disk / CD-ROM -- 7 Disk Caching!I trasferimenti di dati sono penalizzati dalla lentezza degli accessi a disco. È utile minimizzare la frequenza di accesso ai dischi, facendo uso di una cache, ossia sfruttando tecniche di buffering dei blocchi. CPU CACHE Secondary memory!principio di località dei riferimenti: un applicazione, in generale, distribuisce i riferimenti ai file di disco in modo non uniforme nel rispetto di principi di località temporale e spaziale: la località temporale: indica che i blocchi già referenziati continueranno a essere richiesti per un certo periodo di tempo; la località spaziale: indica che c è una certa probabilità che riferimenti futuri a blocchi saranno contigui ai riferimenti correnti. 8 Page 4

5 Efficienza di una cache di disco!dato un insieme di riferimenti a blocchi, l efficienza di una cache si misura in termini del seguente rapporto (Hit Ratio) : Numero riferimenti soddisfatti dalla cache HR = Totale riferimenti richiesti! Sia T I/O il tempo medio di accesso al disco e T C il tempo medio di accesso alla cache; per un insieme di riferimenti l effettivo tempo medio di accesso T E a un blocco richiesto è pari a: T E = T C + (1-HR)x T I/O 9 Frame!Frame (pagina): unità in cui viene suddiviso lo spazio degli indirizzi gestito dal buffer manager.!in generale un frame può ospitare più blocchi. Suddivisione di una cache in frame FRAME BLOCCO!Assumendo che un frame ospiti un solo blocco e che un frame contenga l immagine di un blocco di file o non abbia un contenuto valido, una richiesta di lettura di un blocco comporta: 10 Page 5

6 Lettura di un blocco /* Ricerca del blocco nella cache */ Se il blocco è già presente e disponibile in un frame allora si restituisce l indirizzo del frame al chiamante altrimenti /* Ricerca di un frame libero nella cache */ se esiste un frame libero allora si trasferisce da disco il blocco nel frame individuato e si restituisce l indirizzo del frame al chiamante altrimenti /* Rimpiazzamento di un blocco */ ( si sceglie un blocco da rimpiazzare; se il blocco da rimpiazzare è stato modificato allora deve essere riscritto su disco; si trasferisce da disco il blocco nel frame individuato e si restituisce l indirizzo del frame al chiamante ) 11 La gestione di una cache getandpinpage unpinpage setdirty flushpage Gestore buffer Pagina occupata Buffer Pool Tabella pagine residenti Pagina libera pincount dirty pagina 12 Page 6

7 !I parametri di progetto della cache devono essere fissati in modo da rendere l Hit Ratio quanto più prossimo a 1.!Esempio T I/O = 25 ms T C = 0.01x T I/O!Un valore di HR=0.8 comporta T E =5.25ms, pari circa a 1/5 di T I/O. Si noti che per ottenere valori di T E prossimi a T C deve essere molto vicino a Progetto di una cache effective access time (ms) T E = T C + (1-HR)x T I/O Hit Ratio Le variabili di progetto di una cache: Dimensione della cache Dimensione di un elemento della cache Modifica di informazioni su disco Collocazione della cache Politiche di piazzamento e rimpiazzamento 13 Dimensione della cache!più grande è la cache maggiore è la probabilità di trovare in essa le informazioni richieste, tuttavia esisterà una dimensione al di sopra della quale i benefici introdotti non compenseranno i costi aggiuntivi.!si consideri inoltre che, anche se la capacità per chip di una memoria elettronica aumenta circa di un fattore quattro ogni tre anni (legge di Moore), nel contempo aumentano le necessità di memoria delle applicazioni, tanto da far ritenere che la porzione relativa di dati che potrà essere mantenuta nella cache resterà circa la stessa nel tempo.! Esempio: analizzando le sequenze di riferimenti relative a un certo carico di lavoro si può osservare come varia l hit ratio HR al variare della dimensione della cache Hit Ratio dimensione della cache in Kbyte 14 Page 7

8 Dimensione di un elemento della cache!la dimensione di un elemento della cache dipende strettamente dalle dimensioni della cache stessa; se questa ha dimensioni ridotte è preferibile avere elementi di piccole dimensioni per evitare eccessivi rimpiazzamenti; viceversa se la cache ha grandi dimensioni è preferibile che un elemento ospiti più blocchi (ad esempio una porzione di traccia). Collocazione della cache di disco!la cache, in teoria, può essere collocata in qualunque posizione nel cammino tra la CPU e il disco DISK CPU channel controller 15 Modifiche su disco!in caso di crash i blocchi aggiornati nel buffer ma non su disco possono comportare inconsistenza dei file, specialmente in caso di organizzazioni che usano puntatori tra blocchi. Le politiche più usate sono:!write trough: le modifiche vengono immediatamente trasmesse al disco!write back: le modifiche vengono registrate quando opportuno done (2) cache disk controller from host (1) write (3) read (4) disk mechanism Esempio di tecnica read-after-write gestita in modo autonomo dal controller del disco, in abbinamento alla politica write-back 16 Page 8

9 Politiche di piazzamento!demand fetch: è il metodo più semplice, un blocco viene inserito nella cache solo quando richiesto dal processo, nella speranza che valga il principio di località e che il blocco venga poi referenziato nuovamente nell immediato futuro.!always Prefetching: si caricano anticipatamente ulteriori informazioni ogni qualvolta viene richiesto un blocco.!prefetching on misses: si caricano anticipatamente ulteriori informazioni ogni qualvolta viene richiesto un blocco che non è presente nella cache.!il prefetching può essere sequenziale (vengono caricati alcuni blocchi successivi a quello richiesto) o adattativo (implica l analisi dei riferimenti passati e l adozione di un modello predittivo). 17 Politiche di rimpiazzamento!lru (Least Recently Used): è il metodo più usato per il rimpiazzamento; quando non vi è posto nella cache per il blocco richiesto, viene rimosso il blocco usato meno recentemente;!fifo (First In First Out): viene eliminato dalla cache un elemento in base all ordine di richiesta;!random: viene rimpiazzato un elemento della cache in modo casuale. 18 Page 9

10 Interazione tra applicazione e file File attributes system Una lettura/scrittura (logica) non comporta necessariamente una lettura/scrittura (fisica) dai/sui dispositivi di I/O. System Buffer Pool File System Logic Record I/O request User Buffer User Program Block Number File System User Area Disk Driver Head number Cylinder sector Disk pack 19 Page 10