SCHEDULING DELLA CPU. Obiettivi. » Introduzione allo scheduling della CPU. » Algoritmi di scheduling della CPU

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1 SISTEMI OPERATIVI SCHEDULING DELLA CPU Obiettivi» Introduzione allo scheduling della CPU Aspetto fondamentale dei sistemi operativi multiprogrammati» Algoritmi di scheduling della CPU» Criteri per la scelta degli algoritmi di scheduling della CPU per particolari sistemi 2

2 3 Livelli di scheduling Running Ready Blocked Short Term Blocked, Suspend New Ready, Suspend Medium Term Long Term Exit 4

3 Scheduling e stati dei processi New Long-term scheduling Long-term scheduling Ready/ Suspend Medium-term scheduling Ready Short-term scheduling Running Exit Blocked/ Suspend Medium-term scheduling Blocked 5 6

4 Alternanza di operazioni della CPU e di operazioni di I/O CPU burst I/O burst CPU burst» L esecuzione di un processo è una alternanza di CPU burst e I/O burst» Durante gli I/O burst di un processo la CPU è inattiva I/O burst CPU burst I/O burst Possiamo assegnare alla CPU un processo pronto scheduling CPU 7 Durata delle sequenze di operazioni della CPU» Processi CPU bound Pochi CPU burst molto lunghi» Processi I/O bound Molti CPU burst di breve durata 8

5 Scheduler della CPU» Quando la CPU è inattiva lo scheduler della CPU seleziona un processo dalla coda dei processi pronti La coda non necessariamente è gestita con politica FIFO Gli elementi della coda sono i PCB dei processi 9 Attivazione dello scheduling» Lo scheduling si attiva quando Un processo passa dallo stato running allo stato blocked (I/O, wait(), ecc.) Un processo passa dallo stato running allo stato ready Un processo passa dallo stato blocked allo stato ready (completamento I/O, ecc.) Terminazione di un processo 10

6 Scheduling con o senza prelazione» Se lo scheduling si attiva solo al passaggio dallo stato running allo stato blocked termine di un processo allora è senza prelazione (non-preemptive) o cooperativo» Se lo scheduling si attiva anche al passaggio dallo stato running allo stato ready passaggio dallo stato blocked allo stato ready allora è con prelazione (preemptive) 11 Prelazione» Il sistema operativo può far rilasciare la CPU ad un processo per consentire l avanzamento di un altro processo» Cosa succede se la prelazione avviene durante una chiamata al sistema durante l esecuzione di processi cooperanti che elaborano dati condivisi Windows 3.x e Macintosh fino a System 9 effettuano scheduling senza prelazione 12

7 Prelazione, chiamate di sistema e interruzioni» Durante l esecuzione di chiamate al sistema, la prelazione può essere ritardata» Durante l esecuzione di interruzioni, altre interruzioni potrebbero essere disabilitate Questi meccanismi non sono adatti nel caso di sistemi real-time e di multielaborazione 13 Dispatcher» Modulo del sistema operativo che effettua Cambio di contesto Passaggio alla modalità utente Salto alla istruzione corretta del programma 14

8 15 Criteri relativi alle prestazioni del sistema Percentuale di tempo in cui il processore è occupato Numero di processi completati per unità di tempo 16

9 Criteri orientati all utente Tempo trascorso fra l avvio di un processo e il suo completamento Somma di: tempo di attesa ingresso in memoria, tempo nella coda ready, tempo CPU e tempo I/O Somma degli intervalli di tempo nella coda ready Tempo trascorso fra una richiesta e la relativa risposta in sistemi interattivi 17 Altri criteri orientati all utente I tempi di risposta medi dovrebbero essere sempre gli stessi Si può ottenere cercando di ridurne la varianza Gli algoritmi di scheduling sviluppati non tengono conto di questo aspetto 18

10 19 Confronto degli algoritmi» Esempi con insiemi di processi nella coda ready con relativi CPU burst» Prestazioni misurate in termini di tempo medio di attesa In molti testi si misura il tempo di turnaround considerando la somma di CPU burst e tempo medio di attesa 20

11 First Come, First Served (FCFS)» I processi vengono eseguiti nello stesso ordine con cui entrano nella coda dei processi pronti» Algoritmo di semplice implementazione» Il tempo di attesa di un processo dipende dalla durata dei processi che lo precedono nella coda Analogia con la coda alla cassa di un supermercato, di una banca, di un ufficio, ecc. 21 Esempio tempi di attesa FCFS Processo CPU burst P 1 24 P 2 3 P 3 3» Se i processi arrivano nella sequenza P 1 P 2 P 3 P 2 attende 24 ms e P 3 attende 27 ms Tempo medio di attesa 17 ms 22

12 Esempio tempi di attesa FCFS Processo CPU burst P 1 24 P 2 3 P 3 3» Se i processi arrivano nella sequenza P 2 P 3 P 1 P 3 attende 3 ms e P 1 attende 6 ms Tempo medio di attesa 3 ms 23 Prestazioni FCFS» I processi CPU-bound sono favoriti I processi I/O bound devono attendere il completamento dei processi CPU-bound» Basso overhead per l esecuzione dell algoritmo» Non si ha prelazione Inadatto per sistemi time sharing 24

13 Shortest Job First (SJF)» L algoritmo seleziona il processo nella coda con il tempo di esecuzione minore shortest next CPU burst Processo CPU burst P 1 6 P 2 8 P 3 7 P 4 3 Tempo medio di attesa SJF 7 ms FCFS ms 25 Prestazioni SJF» Alto throughput» Ottimale rispetto al tempo medio di risposta Ma variabilità elevata! I processi più lunghi sono penalizzati» Difficoltà e costo computazionale della stima del CPU burst successivo SJF è utilizzato in scheduling a lungo termine per elaborazione batch + Gli utenti indicano il tempo max di esecuzione 26

14 Predizione CPU burst τ i = α t i + (1 - α) τ i-1 Nell esempio α = 1/2 τ 0 = SJF con prelazione shortest remaining time first» Un processo in esecuzione viene prelazionato se il CPU burst rimanente è maggiore di quello di un nuovo processo aggiunto alla coda ready Processo Istante di arrivo CPU burst P P P P Tempo medio di attesa SJF con prel 6.5 ms SJF 7.75 ms 28

15 Scheduling per priorità Processo CPU burst Priorità P P P P P 5 5 2» Priorità più alta: valore 0 Può essere con o senza prelazione Tempo medio di attesa 8.2 ms 29 Definizione del valore di priorità» Interno CPU burst, I/O burst, tempo di attesa, risorse richieste, file aperti, ecc.» Esterno Dipende da chi ha avviato il processo» Pericolo di starvation Se la priorità non tiene conto del tempo di attesa 30

16 Round Robin Scheduling circolare» Ogni processo viene assegnato al processore per un quanto di tempo» Se CPU burst > quanto di tempo il processo viene prelazionato e inserito nella coda ready» Tempi medi di completamento (turnoaround) variabili rispetto al valore del quanto di tempo» Ideato per sistemi interattivi time-sharing 31 Esempio Round Robin Processo CPU burst P 1 24 P 2 3 P 3 3» Quanto di tempo q = 4ms Tempo medio di attesa 5.66 ms 32

17 Durata del quanto di tempo e cambi di contesto 33 Durata del quanto di tempo e tempo di completamento Empiricamente 80% dei processi deve avere CPU burst di durata inferiore al quanto di tempo 34

18 Scheduling a code multiple All interno di ciascuna coda si usa l algoritmo più appropriato. 35 Code multiple con retroazione Ingresso coda ready Fine CPU burst CPU burst residuo Fine CPU burst CPU burst residuo Fine CPU burst 36

19 37 Scheduling dei thread» Modello molti-a-molti e modello molti-a-uno Process-contention scope PCS La libreria dei thread pianifica l esecuzione di uno dei thread a livello utente e lo associa a un LWP System-contention scope SCS La pianificazione dell esecuzione dei thread a livello kernel avviene a livello globale di sistema» Modello uno-a-uno Solo SCS 38

20 39 Soluzioni di scheduling» Due configurazioni Multielaborazione asimmetrica + Un processore è il master che esegue il sistema operativo, mentre gli altri processori eseguono solo codice utente SMP - symmetric multiprocessing + Ciascun processore ha uno scheduler che seleziona dalla coda il processo da eseguire Unica coda per tutti i processori Code distinte per ciascun processore (soluzione più diffusa) 40

21 Processor affinity» È l assegnazione permanente di un processo al processore La migrazione di un processo da un processore a un altro implica il trasferimento dei dati della cache Soft affinity Il sistema operativo non garantisce il mantenimento di un processo su un processore Hard affinity Il sistema operativo garantisce la proprietà 41 NUMA e processor affinity 42

22 Bilanciamento del carico» Il sistema operativo può verificare che il carico sia distribuito fra tutti i processori Push migration un processo controlla il carico e forza la migrazione dei processi per riequilibrio Pull migration un processore inattivo sottrae un processo a un processore sovraccarico 43 Processori multicore» Evoluzione dei sistemi multiprocessore» Ostacolo all efficienza: attesa di dati dalla memoria (stallo della memoria) 44

23 Sistema multicore e multithread» Thread hardware consentono di alternare l esecuzione di sequenze di istruzioni di thread diversi Il sistema operativo vede un thread hardware come un processore logico ad es., con due core e due thread hardware per core il s.o. vede quattro processori logici 45 Multithreading» Coarse-grain multithreading Un thread è in esecuzione nel processore fino al verificarsi di un evento a lunga latenza Il cambio di thread richiede lo svuotamento della pipeline» Fine-grain multithreading Il cambio fra thread può avvenire anche al termine di un ciclo di istruzione è necessaria una logica dedicata 46

24 Scheduling in sistemi multithreading» A livello di sistema operativo Scheduling dei thread software e dei processi» A livello di processore Scheduling dei thread hardware 47 Virtualizzazione e scheduling» Algoritmo di scheduling nel sistema operativo della macchina virtuale» Algoritmo di scheduling della CPU fisica da parte del sistema operativo ospitante o dell hypervisor L esito della combinazione di questi due livelli dipende dalla tecnica di virtualizzazione 48

25 49 Dispatch di Solaris per i thread interattivi 50

26 Scheduling di Solaris 51 Priorità di Windows realtime high above normal normal below normal idle priority time-critical highest above normal normal below normal lowest idle

27 Priorità e lunghezza del quanto di tempo in Linux 53 54

28 Modello deterministico» Dato un insieme di processi in coda, determinare il tempo medio di attesa (o il tempo medio di turnaround) per ciascuno dei seguenti algoritmi di scheduling FCFS, SJF e RR (q = 10 ms) Processo CPU burst P 1 10 P 2 29 P 3 3 P 4 7 P Reti di code» Modello matematico Coda dei processi pronti Code di I/O Distribuzione sequenze istruzioni CPU Distribuzione istanti di arrivo processi nel sistema 56

29 Simulazione 57 Realizzazione» Si realizzano diverse versioni del sistema operativo con diversi algoritmi di scheduling 58