Lezione 3 Sistemi Operativi e misure di performance. Parleremo di

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1 Lezione 3 Sistemi Operativi e misure di performance Parleremo di Ambienti di Elaborazione e Natura della computazione Classi di Sistemi Operativi Efficienza, Performance del Sistema, e Servizi Utente Sistemi basati su computazione Batch Sistemi a Multiprogrammazione Sistemi Time-Sharing Sistemi Real time Sistemi Distribuiti Moderni Sistemi Operativi 3.2 1

2 Ambienti di Elaborazione e Computazione Un ambiente di elaborazione (AE) si compone di un computer, le sue interfacce con altri sistemi ed i servizi forniti dal suo SO agli utenti ed ai loro programmi Evoluzione degli AE: Ambienti Non-interattivi Ambienti Interattivi Real-Time, Distribuiti, ed Embedded I Moderni AE 3.3 AE e Computazione Ambienti Non-interattivi SO mira all uso efficiente delle risorse Computazione in forma di programmi o job Ambienti Interattivi SO mira a ridurre il tempo medio per implementare interazione tra utente e l elaborazione da lui richiesta Esecuzione di un programma è detta processo 3.4 2

3 AE e Computazione (cont.) Computazioni in un SO Computazione Programma Job Processo Sottorichiesta Descrizione Un insieme di funzioni e moduli anche da librerie Una sequenza di programmi che insieme concorrono ad un compito computazionale Un programma in esecuzione Una richiesta computazionale fatta da un utente ad un processo. Ogni sottorichiesta produce un unica risposta, consistente in un insieme di azioni e/o risultati 3.5 AE e Computazione (cont.) AE Real-Time, Distribuiti, ed Embedded L elaborazione real-time ha specifici limiti temporali SO assicura che l elaborazioni termini entro un tempo limite AE Embedded: il sistema e parte di uno specifico hw SO deve soddisfare vincoli temporali dovuti alla natura del sistema controllato AE Distribuiti: permettono l uso di risorse dislocate in diversi sistemi di computer collegati mediante una rete 3.6 3

4 AE e Computazione (cont.) Moderni Ambienti di Elaborazione Presentano caratteristiche proprie di tutte le tipologie descritte SO usa strategie complesse per gestire al meglio le elaborazioni degli utenti e le risorse 3.7 Classi di SO Classi di SO e loro caratteristiche principali 3.8 4

5 Efficienza, Performance del Sistema e Servizio all utente Due scopi fondamentali di un SO: Efficienza d uso di una risorsa (CPU, memoria) Convenienza per l Utente Aspetti misurabili: User service (servizio all utente) Turnaround time Response time 3a prospettiva: amministratore di sistema la performance del sistema è più importante Tipicamente misurata in termini di throughput 3.9 Efficienza, Performance, User Service Aspetto Misura Efficienza d uso Efficienza della CPU Percentuale d utilizzo della CPU Efficienza della memoria Percentuale d utilizzo della memoria Prestazioni del sistema Throughput Quantità di lavoro svolto per unità di tempo Servizio per l utente Tempo di turnaround Tempo di completamento di un job o di un processo Tempo di risposta Tempo di risposta ad una sottorichiesta Definizione: Throughput è il numero medio di job, programmi, processi, o sottorichieste completati dal sistema nell unità di tempo. Definizione: Turnaround Time è il tempo dalla sottomissione di un job, programma, o processo da parte di un utente al momento in cui i risultati sono resi disponibili all utente. Definizione: Response Time è il tempo dalla sottomissione di una sottorichiesta da parte dell utente al momento in cui il processo risponde

6 Sistema Multiprogrammato Scopo: efficiente gestione delle risorse in un ambiente non interattivo Usa I/O asincrono anche sfruttando DMA Operazioni I/O di programmi mentre la CPU ne esegue un altro Uso efficiente di CPU e dispositivi di I/O Tempo di Turnaround di un programma misura il servizio all utente in tali sistemi 3.11 Sistema Multiprogrammato (cont.) Funzionamento di un sistema multiprogrammato: (a) program2 è in esecuzione mentre program1 esegue un operazione di I/O; (b) program2 inizia I/O, program3 viene schedulato; (c) l operazione di I/O di program1 viene completata e quindi questo programma viene schedulato per l esecuzione

7 Sistema Multiprogrammato (cont.) Misura delle prestazioni di un SO multiprogrammato mediante throughput Rapporto tra il numero di programmi eseguiti ed il tempo totale per completarne l esecuzione SO mantiene in memoria più programmi contemporaneamente, per evitare sprechi di CPU e I/O Grado di multiprogrammazione: numero di programmi Usa un mix di programmi tra programmi CPU-bound e programmi I/O-bound Assegna priorità appropriate ai programmi secondo la tipologia, tra le due, cui appartengono 3.13 Priorita dei Programmi Tecniche di multiprogrammazione Tecniche Appropriato mix di prog s Descrizione Il kernel seleziona un mix di programmi CPU-bound e I/O-bound in memoria Un prog CPU-bound coinvolge molta elaborazione e poco I/O. Usa la CPU per lunghe sequenze di operazioni (burst) prima di iniziare I/O Un prog I/O-bound effettua poco la CPU prima di effettuare I/O. Contiene CPU-burst corti Scheduling a priorità con prelazione Ad ogni prog è assegnata una priorità. La CPU è assegnata al prog con priorità massima. Un prog a bassa priorità viene prelazionato se uno a priorità alta richiede la CPU Definizione: Priorità criterio mediante il quale lo scheduler decide quale richiesta schedulare in caso ce ne siano molte in attesa

8 Priorità dei Programmi (cont.) In un ambiente multiprogrammato, un prog I/O-bound dovrebbe ricevere priorità più alta di un prog CPU-bound. Grafico dei tempi di attività di CPU e I/O Assunzione: programmi I/O-bound hanno priorità più alta 3.15 Performance di Sistemi Multiprogrammati Come migliorare la performance? Azione Aggiungi un prog CPUbound Aggiungi un prog I/Obound Effetto Un prog3 CPU-bound può essere aggiunto per usare il tempo di CPU sprecato nell esempio (intervalli t6-t7 e t8-t9). Tale prog3 (se con priorità minima) non modificherebbe lo scheduling degli altri processi Un programma I/O-bound (es. prog4) può essere aggiunto. Un prog4 (con priorità fissata tra quelle dei due processi attivi) migliorerebbe l uso dell I/O. Non modificherebbe lo scheduling di prog iob che ha priorità più alta e modificherebbe il progresso di prog cb solo marginalmente in quanto prog4 non usa molto tempo di CPU

9 Performance di Sistemi Multiprogrammati (cont.) Il grafo mostra come varia il throughput al variare del grado di multiprogrammazione Se un mix appropriato di programmi viene mantenuto, entro certi limiti, un incremento del grado di multiprogrammazione determina un aumento del throughput Sistemi Time-Sharing Assicura una risposta rapida alle sottorichieste dell utente

10 Sistemi Time-Sharing Assicura una risposta rapida alle sottorichieste dell utente Scheduling (round-robin) con quanto di tempo predefinito Kernel mantiene una coda di scheduling Se il quanto di tempo (δ) termina prima che il porcesso completi la sottorichiesta che sta eseguendo, il kernel prelaziona, muove il processo nella coda e schedula un altro processo dalla testa della coda Implementato mediante un timer interrupt 3.19 Sistemi Time-Sharing (cont.) Definizione: Time slice (quanto di tempo) l intervallo di tempo massimo di uso continuato della CPU concesso ad un processo in un sistema time-sharing Uno schema di scheduling round-robin in un modello a tempo frazionato

11 Sistemi Time-Sharing (cont.) Tempo di Risposta (rt): misura del servizio per l utente Se per completare una sottorichiesta richiede δ sec. di CPU rt = n (δ + σ) η = δ / (δ + σ) dove η: efficienza di CPU, σ: overhead di scheduling, n: numero di utenti nel sistema, δ: tempo richiesto per completare una sottorichiesta L effettivo tempo di risposta dipende da altri fattori Utenti inattivi allungano i tempi Alcuni programmi potrebbero usare > δ sec. di CPU 3.21 Sistemi Time-Sharing (cont.) Esecuzione dei processi P1 e P2 in un sistema time-sharing

12 Swapping dei Programmi Swapping: (a) memoria tra 0 e 105 ms; (b) P2 viene sostituito con P3 al 105 ms; (c) P1 viene sostituito con P4 al 125 ms; (d) swap in per P1 al fine di servire una nuova richiesta Definizione: Swapping tecnica consistente nel rimuovere un processo temporaneamente dalla memoria del sistema. Il Kernel usa operazioni di swap-out e swap-in 3.23 SO Real-Time In un applicazione real-time, il computer deve garantire tempi certi di completamento delle operazioni/richieste controllare/contribuire ad attività di un sistema esterno Vincoli di tempo stretti. Se superati la computazione diventa inutile Definizione: Applicazione real-time Un prog che risponde ad un sistema esterno entro intervalli massimi determinati dal sistema esterno Se l applicazione impiega troppo per servire una richiesta, può verificarsi un guasto nel sistema esterno Requisito di risposta Deadline: tempo massimo per fornire una risposta

13 Sistemi Real-Time: vincoli Un sistema real-time con vincoli stretti (hard real-time) fornisce sempre una risposta in tempo Tipicamente dedicato a processi esterni critici Guida di veicoli, controlli di sicurezza in processi industriali Un sistema real-time con vincoli deboli (soft real-time) garantisce risposte in tempo con alta probabilità Può superare i vincoli temporali alcune volte Applicazioni multimediali, transazioni remote 3.25 SO Real-Time - caratteristiche Caratteristica Concorrenza di diverse azioni un applicazione Effetto Un programmatore può richiedere concorrenza di alcune operazioni per ottimizzare i tempi. Il SO considera tali operazioni come processi diversi Priorità Scheduling Il programmatore può assegnare priorità ai processi. Basato su priorità e sulle deadline Gestione di eventi esterni Possibilità di assegnare interrupt e routine di gestione per eventi esterni Predicibilità Overhead del sistema deve essere predicibile Affidabilità SO garantisce che un applicazione possa funzionare anche in presenza di malfunzionamenti di alcuni dispositivi

14 SO Distribuiti Un SO distribuito si compone di più sistemi connessi mediante una rete Il singolo nodo può essere un PC, un sistema multiprocessore o un cluster Le risorse sono presenti in diversi nodi E necessaria la gestione di possibili malfunzionamenti a livello di rete e di singoli nodi Il sistema fornisce strumenti e meccanismi speciali per l accesso alle risorse sparse sulla rete di nodi 3.27 SO Distribuito - caratteristiche Definizione: Sistema Distribuito Un sistema composto da uno o più nodi, con un proprio clock e una propria memoria, connessi mediante hardware di rete, e che offre funzioni di controllo proprie di un SO Caratteristica Condivisione e Affidabilità Effetto / Implementazione I singoli nodi possono utilizzare risorse di altri nodi. I processi possono essere eseguiti su altri nodi in caso di guasti locali Controllo distribuito Trasparenza Remote procedure call Più nodi o tutti sono responsabili delle funzioni di controllo. Si può accedere ad una risorsa senza conoscerne la posizione Un processo invoca una procedura messa a disposizione da un computer remoto

15 Moderni Sistemi Operatvi Concetti classici dei SO nei moderni Ambienti di Elab. Concetto Scheduling a priorità con prelazione Time-slicing Swapping Creazione di processi multipli in un applicazione Tipico esempio d uso Favoriscono applicazioni ad alta priorità e consentono un uso efficiente delle risorse assegnando priorità alte ai processi interattivi e basse ai processi CPU-bound Per prevenire monopolizzazione della CPU da parte di un processo. Migliora i tempi di risposta Incrementa il numero di processi che possono essere serviti simultaneamente; consente di migliorare le prestazioni del sistema e i tempi di risposta dei processi Permette di ridurre la durata dell applicazione; è più efficace quando l applicazione contiene sostanziali attività di CPU e I/O. Condivisione delle risorse Consente di condividere risorse quali stampanti e dispositivi di memorizzazione in un ambiente di rete In conclusione Gli ambienti di elaborazione si sono evoluti seguendo gli sviluppi tecnologici Sistemi Batch SO Multiprogrammati Scheduling a Priorità SO Time-sharing Scheduling Round-robin a tempo partizionato SO Real-Time Computazione entro vincoli temporali forti SO Distributi Possibilità di collegare sistemi e distribuire risorse e processi Moderni SO I Moderni AE presentano caratteristiche di tutti gli esempi precedenti Usano tecniche diverse per le diverse applicazioni