Scheduling della CPU. Terminologia: CPU burst & I/O burst. Obiettivo della multiprogrammazione: massimizzazione dell utilizzo della CPU

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1 Scheduling della CPU Scheduling della CPU Obieivo della muliprogrammazione: massimizzazione dell uilizzo della CPU Scheduling della CPU: commua l uso della CPU ra i vari processi Scheduler della CPU (a breve ermine): è quella pare del SO che seleziona dalla coda dei processi proni il prossimo processo al quale assegnare l uso della CPU Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 2 Coda dei processi proni (ready( queue): ): primo ulimo PCB i PCB j PCB k Terminologia: CPU burs & I/O burs Ogni processo alerna (burs = raffica) CPU burs: fasi in cui viene impiegaa solano la CPU senza I/O I/O burs: fasi in cui il processo effeua I/O da/verso una risorsa (disposiivo) del sisema coniene i descriori (process( conrol block, PCB) dei processi proni CPU burs I/O burs sraegia di gesione della ready queue è realizzaa mediane poliiche (algorimi) di scheduling Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 3 Quando un processo è in I/O burs, la CPU non viene uilizzaa: in un sisema muliprogrammao, lo scheduler assegna la CPU a un nuovo processo Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 4

2 Terminologia: processi I/O bound & CPU bound A seconda delle caraerisiche dei programmi eseguii dai processi, è possibile classificare i processi in I/O bound: prevalenza di aivià di I/O Moli CPU burs di breve duraa, inervallai da I/O burs di lunga duraa CPU bound: prevalenza di aivià di compuazione CPU burs di lunga duraa, inervallai da pochi I/O burs di breve duraa Terminologia: pre-empion empion Gli algorimi di scheduling si possono classificare in due caegorie: senza prelazione (non pre-empive): la CPU rimane allocaa al processo running finché esso non si sospende volonariamene o non ermina con prelazione (pre-empive): il processo running può essere prelazionao, cioè SO può sorargli la CPU per assegnarla ad un nuovo processo I sisemi a divisione di empo hanno uno scheduling pre-empive Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 5 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 6 Poliiche & meccanismi Lo scheduler decide a quale processo assegnare la CPU A seguio della decisione, viene auao il cambio di coneso (conex-swich) Dispacher: è la pare di SO che realizza il cambio di coneso Scheduler = POLITICHE Dispacher = MECCANISMI Crieri di scheduling Per analizzare e confronare i diversi algorimi di scheduling, vengono considerai alcuni parameri: Uilizzo della CPU: percenuale media di uilizzo CPU nell unià di empo Throughpu (del sisema): numero di processi compleai nell unià di empo Tempo di Aesa (di un processo): empo oale rascorso nella ready queue Turnaround (di un processo): empo ra la soomissione del job e il suo compleameno Tempo di Risposa (di un processo): inervallo di empo ra la soomissione e l inizio della prima risposa (a differenza del urnaround, non dipende dalla velocià dei disposiivi di I/O) Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 7 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 8

3 Crieri di scheduling In generale: devono essere massimizzai Uilizzo della CPU Throughpu invece, devono essere minimizzai Turnaround (sisemi bach) Tempo di Aesa Tempo di Risposa (sisemi ineraivi) Crieri di scheduling Non è possibile oimizzare ui i crieri conemporaneamene A seconda del ipo di SO, gli algorimi di scheduling possono avere diversi obieivi nei sisemi bach: massimizzare hroughpu e minimizzare urnaround nei sisemi ineraivi: minimizzare il empo medio di risposa dei processi minimizzare il empo di aesa Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 9 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 10 Algorimo di scheduling FCFS Firs-Come-Firs-Served: la coda dei processi proni viene gesia in modo FIFO i processi sono schedulai secondo l ordine di arrivo nella coda algorimo non pre-empive Esempio: re processi [Pa, Pb, Pc] (diagramma di Gan) Algorimo di scheduling FCFS Esempio: se cambiassimo l ordine di scheduling [Pb, Pc, Pa] Pb Pc Pa Pa Pb Pc T aesa medio = ( )/3 = 22,7 T aesa medio = ( )/3 = 5 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 11 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 12

4 Problemi dell algorimo FCFS Non è possibile influire sull ordine dei processi: nel caso di processi in aesa diero a processi con lunghi CPU burs (processi CPU bound), il empo di aesa è alo Possibilià di effeo convoglio se moli processi I/O bound seguono un processo CPU bound: scarso grado di uilizzo della CPU Algorimo di scheduling FCFS: effeo convoglio Esempio: [P1, P2, P3, P4] P1 è CPU bound; P2, P3, P4 sono I/O bound P1 effeua I/O nell'inervallo [1,2] P4 P3 P2 P1 1 CPU inaiva 2 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 13 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 14 Algorimo di scheduling SJF (Shores Job Firs) Algorimo di scheduling SJF (ShoresShores Job Firs) Per risolvere i problemi dell algorimo FCFS: per ogni processo nella ready queue, viene simaa la lunghezza del prossimo CPU-burs viene schedulao il processo con il CPU burs più coro (Shores Job Firs) Pb Pc si può dimosrare che il empo di aesa è oimale Pa SJF può essere: non pre-empive pre-empive: (Shores Remaining Time Firs, SRTF) se nella coda arriva un processo (Q) con CPU burs minore del CPU burs rimaso al processo running (P) pre-empion Problema è difficile simare la lunghezza del prossimo CPU burs di un processo (di solio, uso del passao per predire il fuuro) Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 15 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 16

5 Simare la lunghezza di CPU burs Simare la lunghezza di CPU burs Unica cosa ragionevole: simare probabilisicamene la lunghezza in dipendenza dai precedeni CPU burs di quel processo Possibilià molo usaa: exponenial averaging Unica cosa ragionevole: simare probabilisicamene la lunghezza in dipendenza dai precedeni CPU burs di quel processo Possibilià molo usaa: exponenial averaging τ n h = acual lengh of n CPU burs n+ 1 = α, 0 α 1 prediced value for he nex CPU burs ( ) h = acual lengh of n CPU burs τ = n 1 α + n 1 + α τn τ = n 1 α n α τn Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 18 τ n n+ 1 = α, 0 α 1 prediced value for he nex CPU burs ( ) Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 17 α =0 SJF con exponenial averaging τ n+1 = τ n ovvero la soria recene degli auali valori non cona α =1 τ n+1 = α n ovvero cona solo l ulimo valore reale Sviluppando l espressione: τ n+1 = α n +(1 - α)α n (1 - α ) j α n -j + +(1 - α ) n +1 τ 0 ogni ermine successivo ha meno peso del ermine precedene Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 19 Scheduling con priorià Ad ogni processo viene assegnaa una priorià: lo scheduler seleziona il processo prono con priorià massima processi con uguale priorià vengono raai in modo FCFS Priorià possono essere definie inernamene: SO aribuisce ad ogni processo una priorià in base a poliiche inerne esernamene: crieri eserni al SO (es: nice in UNIX) Le priorià possono essere cosani o variare dinamicamene Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 20

6 Scheduling con priorià Algorimi di scheduling con priorià possono essere non-preempive pre-empive: se arriva in coda un processo con priorià maggiore del processo running pre-empion SJF è un esempio di algorimo con priorià per ogni processo, la priorià è 1/CPU burs la priorià è variabile Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 21 Scheduling con priorià Problema: sarvaion dei processi Sarvaion: si verifica quando uno o più processi di priorià bassa vengono lasciai indefiniamene nella coda dei processi proni, perchè vi è sempre almeno un processo prono di priorià più ala Soluzione: invecchiameno (aging) dei processi ad esempio la priorià cresce dinamicamene con il empo di aesa del processo la priorià decresce al crescere del empo di CPU già uilizzao Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 22 Algorimo di scheduling round robin Process È ipicamene usao in sisemi ime sharing: Ready queue gesia come una coda FIFO circolare (FCFS) ad ogni processo viene allocaa la CPU per un inervallo di empo cosane Δ (ime slice o, quano di empo) il processo usa la CPU per Δ (oppure si blocca prima) allo scadere del quano di empo: prelazione della CPU e reinserimeno in coda Burs Time P 1 53 P P 4 24 P 1 P 2 P 4 P 1 P 4 P l algorimo RR può essere viso come un esensione di FCFS con pre-empion periodica Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 23 Round robin Obieivo principale è la minimizzazione del empo di risposa (adeguao per sisemi ineraivi) Tui i processi sono raai allo sesso modo (assenza di sarvaion) Problemi: dimensionameno del quano di empo Δ piccolo (ma non roppo: Δ>>T conex swich ) empi di risposa ridoi, ma ala frequenza di conex swich Δ grande overhead di conex swich ridoo, ma empi di risposa più ali raameno equo dei processi possibilià di degrado delle presazioni del SO Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 24

7 Approcci misi Muli Level Feedback Queue Nei sisemi operaivi reali, spesso si combinano diversi algorimi di scheduling Esempio: Muliple Level Feedback Queues più code, ognuna associaa a un ipo di job diverso (bach, ineracive, CPU-bound,...) ogni coda ha una diversa priorià: scheduling delle code con priorià ogni coda viene gesia con scheduling FCFS o Round Robin i processi possono muoversi da una coda all alra, in base alla loro soria: passaggio da priorià bassa ad ala: processi in aesa da molo empo (feedback posiivo) passaggio da priorià ala a bassa: processi che hanno già uilizzao molo empo di CPU (feedback negaivo) Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 25 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 26 Esempio di Muli Level Feedback Queue Scheduling in UNIX (BSD 4.3) 3 code Q 0 RR con ime quanum=8ms Q 1 RR con ime quanum=16ms Q 2 FCFS Scheduling Un processo nuovo enra in Q 0 ; quando acquisisce la CPU ha 8ms per uilizzarla; se non ermina nel quano di empo viene sposao in Q 1 In Q 1 il processo è servio ancora RR e riceve 16ms di CPU; se non ermina nel quano di empo, viene sposao in Q 2 Priorià elevaa a processi con breve uso CPU Obieivo: privilegiare i processi ineraivi Scheduling MLFQ: più livelli di priorià (circa 160): più grande è il valore, più bassa è la priorià Viene definio un valore di riferimeno pzero: Priorià pzero: processi di uene ordinari Priorià < pzero: processi di sisema (ad es. esecuzione di sysem call), non possono essere inerroi da segnali (kill) Ad ogni livello è associaa una coda, gesia con Round Robin (quano di empo: 0,1 s) Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 27 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 28

8 Scheduling in UNIX Scheduling in Solaris2 Aggiornameno dinamico delle priorià: ad ogni secondo viene ricalcolaa la priorià di ogni processo La priorià di un processo decresce al crescere del empo di CPU già uilizzao feedback negaivo di solio, processi ineraivi usano poco la CPU: in queso modo vengono favorii L uene può influire sulla priorià: comando nice (ovviamene solano per decrescere la priorià) per i processi ineraivi o ime-sharing Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 29 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 30 Priorià in MS WindowsXP classe real-ime classe variable Priorià variabile con aumeno in caso di rilascio da waiing Linux scheduling (da( v2.5) Due algorimi: ime-sharing e real-ime Time-sharing Con priorià dinamiche, basao su credii processi con più credii schedulai prima Credii vengono decremenai in base a imer Quando credii=0, il processo viene deschedulao Si rialza il credio di ui quando ui i processi arrivano a credio=0 Real-ime Sof real-ime con priorià saiche Conforme a POSIX.1b complian due classi FCFS e RR all inerno della sessa priorià processo a priorià maggiore esegue sempre per primo Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 31 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 32

9 Linux scheduling (da( v2.5) Due algorimi: ime-sharing e real-ime Time-sharing Con priorià dinamiche, basao su credii processi con più credii schedulai prima Credii vengono decremenai in base a imer Quando credii=0, il processo viene deschedulao Si rialza il credio di ui quando ui i processi arrivano a credio=0 Real-ime Sof real-ime con priorià saiche Conforme a POSIX.1b complian due classi FCFS e RR all inerno della sessa priorià processo a priorià maggiore esegue sempre per primo Scheduling dei hread Java Java Virual Machine (JVM) usa scheduling con prelazione e basao su priorià FIFO Queue usaa fra hread con sessa priorià JVM mee in sao di running un hread quando: 1. hread che sa usando la CPU esce dallo sao Runnable 2. un hread a priorià più ala enra nello sao Runnable * NB: JVM non specifica se i hread hanno quano di empo o no Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 33 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 34 Time-Slicing Siccome JVM non garanisce ime-slicing, andrebbe usao il meodo yield(), per rasferire il conrollo ad alro hread di uguale priorià: Valuazione algorimi di scheduling ramie simulazione while (rue) { // perform CPU-inensive ask... Thread.yield(); } Si possono assegnare valori di priorià ramie il meodo seseprioriy() Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 35 Sisemi Operaivi L-A - Scheduling della CPU 36