Beispiele: Scheduling 6.1EinfŸhrung. Beispiel: Gang Scheduling. Ein Klassisches Scheduling-Problem

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1 Schedulng 6.EnfŸhrung Schedulng (zu deutsch etwa ãablaufplanungò) bedeutet de Zuordnung von AktvtŠten zu Instanzen, welche dese AktvtŠten durchfÿhren kšnnen, n Raum und Zet. In der Systemprogrammerung st mt Schedulng mest de Zuordnung von Prozessen zu Prozessoren gement. Dabe trtt das Schedulng-Problem auf allen GranulartŠtsebenen auf: Prozesse als komplette Benutzerprogramme sollen auf enem Enprozessorsystem ausgefÿhrt werden Prozesse (Threads) als Tele enes parallelen Programms sollen auf enem Parallelrechner ausgefÿhrt werden Prozesse als Enzeloperatonen oder kurze Operatonsfolgen sollen auf den parallel arbetenden Enheten des Prozessors (Ppelnng, Superskalare Archtekturen) ausgefÿhrt werden. Bespele: Mehrbenutzerbetrebssystem: Mehrere Prozesse snd ablauffšhg n der Beretlste: Welcher soll als nšchster dem Prozessor zugeordnet werden? Der bersetzer erzeugt Code fÿr enen superskalaren Prozessor mt Ppelnng. Er kennt de auszufÿhrenden Befehle und de AbhŠnggketen zwschen den Befehlen und muss ene Zuordnung der Befehle zu den Ppelnes fnden, so dass das ProgrammstŸck n mšglchst kurzer Zet ausgefÿhrt wrd. In enem Enbenutzersystem wrd en MPEG-Vdeo lve aus dem Internet abgespelt. Das Zusammenspel von Netzwerk-Software, Decoderung, Bldschrmausgabe und Soundausgabe soll zu ener glechmšssgen, synchronserten Wedergabe fÿhren, auch wenn m Hntergrund zusštzlch en Compler lšuft. En Montageroboter muss verschedene Sensordaten n unterschedlchen Raten abtasten und darauf reageren. Z.B. mÿssen zur Erkennung der Lage des WerkstŸcks auf dem Transportband zetaufwendge Berechnungen durchgefÿhrt werden. In enem Multprozessorsystem laufen mehrere parallele synchrone Programme, d.h. Programme, deren Prozesse sch regelmšssg Ÿber ene Barrere synchronseren. De Prozesse, de zum selben Programm gehšren, sollten glechzetg zugeordnet werden (Gang-Schedulng) 6-6- Bespel: Gang Schedulng En Klasssches Schedulng-Problem B B B Warteschlange (ready queue) 6 Prozesse 3 Prozessoren T P T T3 P Zuordnung? T4 B T5 T6 P3 Ablaufplanlänge (makespan) A A A A Prozessoren P T4 T5 Werden mehrere parallele Anwendungen glechzetg gerechnet (tme-sharng), so sollten hre Prozesse gemensam zugeordnet werden. De Schedulng-Verfahren arbeten dann auf Programmebene, ncht auf Prozess-ebene P P3 T T T6 T3 Gantt-Dagramm

2 Gestaltungsparameter des Schedulng-Problems: Gestaltungsparameter des Schedulng-Problems (Fortsetzung): Enprozessor / Mehrprozessor Be Mehrprozessormaschnen: Prozessoren homogen, d.h. alle glech schnell? Prozessmenge statsch oder dynamsch? Be statscher Prozessmenge kommen kene weteren Prozesse hnzu. Alle Prozesse snd gegeben und ablauffšhg. Im dynamschen Fall kommen neue Prozesse wšhrend der AusfŸhrung hnzu. Schedulng on-lne (zur Laufzet) oder off-lne (rgendwann vorher) Im Off-lne-Fall snd alle Prozesse bekannt (auch zukÿnftge AnkŸnfte), es legt also vollstšndge Informaton vor. On-lne-Algorthmen kennen nur de aktuellen Prozesse und treffen hre Entschedungen auf Grund unvollstšndger Informaton. AusfŸhrungszeten bekannt? Bekannte AusfŸhrungszeten der Prozesse (oder Worst-Case-AbschŠtzungen dafÿr) snd Voraussetzung fÿr Realzet-Schedulng und hlfrech fÿr fare Algorthmen VerdrŠngung mšglch? Mt VerdrŠngung kšnnen Schedulngzele vel besser errecht werden. AbhŠnggketen zwschen den Prozessen - Rehenfolgebezehung (partelle Ordnung) - Synchronserte Zuordnung der parallelen Prozesse enes parallelen Programms Kommunkatonszeten zu berÿckschtgen? RŸstzeten (Umschaltzeten) zu berÿckschtgen? PrortŠten zu berÿckschtgen? PrortŠten werden von aussen vorgegeben (statsch) oder wšhrend der AusfŸhrung bestmmt (dynamsch) Sollzetpunkte zu berÿckschtgen? In Realzetsystemen mÿssen gewsse Berechnungen (Prozesse) zu bestmmten Zetpunkten beendet sen. Oft snd perodsche Prozesse zu berÿckschtgen. Welches Zel soll errecht werden ( zu optmerende Zelfunkton) Bespele fÿr Zelfunktonen LŠnge des Ablaufplans (mn) Maxmale Antwortzet (mn) Mttlere (gewchtete) Antwortzet (mn) Anzahl Prozessoren (mn) Durchsatz (max) Prozessorauslastung (max) 6. Schedulng n konventonellen Mehrprogrammsystemen Betrebszele hohe Effzenz Prozessor gut ausgelastet gernge Antwortzet be nteraktven Prozessen hoher Durchsatz be Stapelbetreb (batch-processng) Farness gerechte Vertelung der Prozessorlestung und der Wartezet unter de Prozesse Programmstart warten rechnen Programmende Maxmale VerspŠtung (mn) Wartezet (watng tme) Antwortzet (response tme) Bedenzet (servce tme)

3 Annahmen Zur ErlŠuterung der Strategen homogenes (symmetrsches) Multprozessorsystem Prozessmenge dynamsch Kene AbhŠnggketen zwschen Prozessen Dynamsches On-lne-Schedulng Kene Sollzetpunkte Neuankömmlng bzw. verdrängter Prozeß Strategealternatven ohne / mt VerdrŠngung Prozess blebt bs zu senem Ende oder bs zur frewllgen Aufgabe auf dem Prozessor oder er kann vorher verdršngt werden. Enordnen gemäß Stratege Nächster ohne / mt PrortŠten Prozesse werden n Drnglchketsklassen engetelt Beretlste (Prozeßkontrollblöcke) unabhšngg / abhšngg von der Bedenzet De tatsšchlche oder geschštzte Bedenzet des Prozesses wrd be der Auswahl berÿckschtgt Prozessoren Schedulng Strategen Schedulng-Strategen (Fortsetzung) FCFS Frst Come Frst Served (auch FIFO (Frst In Frst Out) genannt) Bearbetung der Prozesse n der Rehenfolge hrer Ankunft n der Beretlste. Prozessorbestz bs zum Ende oder zur frewllgen Aufgabe Entsprcht der Alltagserfahrung LCFS-PR Last Come Frst Served - Preemptve Resume Neuankšmmlng n Beretlste verdršngt den rechnenden Prozess. VerdrŠngter Prozess wrd hnten n de Lste (Warteschlange) engereht LCFS Last Come Frst Served Falls kene AnkŸnfte, Abarbetung der Lste ohne VerdrŠngung Bearbetung der Prozesse n der umgekehrten Rehenfolge hrer Ankunft n der Beretlste. Prozessorbestz bs zum Ende oder zur frewllgen Aufgabe. In deser renen Form selten benutzt Zel st de Bevorzugung kurzer Prozesse. En kurzer Prozess hat de Chance, noch vor der nšchsten Ankunft fertg zu werden. En langer Prozess wrd u.u. mehrfach verdršngt 6-6-

4 Schedulng Strategen (Fortsetzung) Schedulng Strategen (Fortsetzung) RR Round Robn (Zetschebenverfahren) PRIO-NP Prortes - Nonpreemptve Bearbetung der Prozesse n Ankunftsrehenfolge. Nach Ablauf ener vorher festgesetzten Frst (Zetschebe, tme slce, CPU-quantum) fndet ene VerdrŠngung statt und es wrd auf den nšchsten Prozess umgeschaltet. Zel des Verfahrens st de glechmš ge Vertelung der ProzessorkapaztŠt und der Wartezet auf de Prozesse Wahl der ZetschebenlŠnge τ st Optmerungsproblem: FŸr grosses τ nšhert sch RR der Rehenfolgestratege FCFS FŸr klenes τ schlšgt der Aufwand fÿr das hšufge Umschalten negatv zu Buche. blch snd Zeten m msec-berech Neuankšmmlnge werden nach hrer PrortŠt n de Beretlste engeordnet. Prozessorbestz bs zum Ende oder zur frewllgen Aufgabe PRIO-P Prortes - Preemptve We PRIO-NP, jedoch fndet VerdrŠngungsprŸfung statt, d.h. der rechnende Prozess wrd verdršngt, wenn er ene gerngere PrortŠt hat als der Neuankšmmlng Problem: PrortŠtsnverterung Schedulng-Strategen (Fortsetzung) Betrebsmttel bestzt wartet auf Prozess C Pro = Zustand ãblockertò SJN Shortest Job Next Prozess mt der kÿrzesten Bedenzet wrd als nšchster bs zum Ende oder zur frewllgen Aufgabe bearbetet We PRIO-NP, wenn man de Bedenzet als PrortŠtskrterum verwendet Bevorzugt kurze Prozesse und fÿhrt daher zu kÿrzeren mttleren Antwortzeten als FCFS Zustand ãberetò Prozess A Pro = 4 Prozess C wrd ãverhungernò, obwohl er der drnglchste st: Prozess B domnert de CPU, Prozess A kommt ncht zum Zuge und kann daher das Betrebsmttel ncht fregeben, wodurch Prozess C auf unbestmmte Zet blockert blebt. 6-5 Prozess B Pro = 8 Zustand ãrechnendò SRTN Shortest Remanng Tme Next Prozess mt der kÿrzesten Restbedenzet wrd als nšchster bearbetet. Rechnender Prozess kann verdršngt werden. Bede Algorthmen haben den Nachtel, dass se Kenntns der Bedenzet benštgen, de nur vom Benutzer n Form ener SchŠtzung stammen kann Lange Prozesse kšnnen ãverhungernò, wenn mmer kÿrzere vorhanden snd 6-6

5 Schedulng-Strategen (Fortsetzung) Schedulng-Strategen (Fortsetzung) HRN Hghest Response Rato Next FB (Multlevel) Feedback Arbetswese De Response Rato r st defnert als r:= Wartezet + Bedenzet Bedenzet r wrd dynamsch berechnet und als PrortŠt verwendet: Der Prozess mt dem grš ten r wrd als nšchster ausgewšhlt. De Stratege st ncht verdršngend Kennt man de Bedenzet a pror ncht, mšchte aber trotzdem lang laufende Prozesse benachtelgen, so kann man hn nach jeder CPU-Benutzung n sener ãprortštò schrttwese herabsetzen: Innerhalb jeder Warteschlange kann RR engesetzt werden. De Zetscheben kšnnen nach ãuntenò hn lšnger werden. Zugang Warteschlange Warteschlange Abgang Abgang hohe PrortŠt We be SJN werden kurze Prozesse werden bevorzugt, lange Prozesse mÿssen aber ncht ewg warten, sondern kšnnen durch Warten ãpunkte sammelnò. Warteschlange Abgang gernge PrortŠt Standard-Schedulng-Strategen Anmerkungen ohne VerdrŠngung mt VerdrŠngung FŸr Standard-BS mt nteraktvem Betreb st VerdrŠngung nahezu unverzchtbar Mest wrd ene Kombnaton engesetzt aus - Zetscheben-Mechansmus ohne PrortŠten mt PrortŠten ohne PrortŠten mt PrortŠten - PrortŠten BZ-unabhŠngg FCFS, LCFS PRIO-NP LCFS-PR, RR, FB BZ-abhŠngg SJN, HRN SRTN PRIO_P De PrortŠten setzen sch oft aus enem statschen und enem dynamschen Antel zusammen, wobe n den dynamschen Antel - das Prozessverhalten - de Laststuaton engeht Strategen n realen Standard-BS (Unx, VMS, MVS, BS000,..) snd mest sehr aufwendg

6 6. Schedulng mt Sollzetpunkten In Realzetsystemen (z.b. Steuerrechner fÿr Fertgungsstrassen, Kernkraftwerke, Motorsteuerung, Antblockersystem) st de Zelsetzung ene andere: Innerhalb knapper Zetschranken mÿssen Messgršssen ausgewertet und darauf reagert werden. Den Prozessen werden daher Sollzetpunkte (deadlnes) zugeordnet, zu denen se vollstšndg bearbetet sen mÿssen. Begrffe FŸr Realzet-Prozesse st von au en vorgeschreben, wann se frÿhestens begnnen dÿrfen und wann se spštestens beendet sen mÿssen. T Bedenzet b (servce tme) Spelraum sl (slack-tme, laxty) Da de Enhaltung der Sollzetpunkte z.t. krtsch st fÿr de Funkton des Gesamtsystems, gehen se n de Strategen en: BezŸglch der Implkatonen be Verletzung der Sollzetpunkte unterschedet man: a: frühester Startzetpunkt s: tatsächlcher Startzetpunkt e: tatsächlcher Endezetpunkt d: spätester Endezetpunkt (Sollzetpunkt, deadlne) hard real-tme systems: Verletzung bedeutet Ausfall des Systems und kann ncht tolerert werden (Bespel: Arbag, Antblockersystem) Ene berschretung der Sollzet (e > d ) hesst VerspŠtung (lateness) L := e - d soft real-tme systemsverletzung bedeutet QualtŠtsenbu en, kann aber n Grenzen tolerert werden (Internet-Telefone (ãvoce over IPÒ), bertragung und Verarbetung von Bewegtbldern, Synchronsaton von Bld und Ton) T Verspätung (lateness) Gerade be harten RT-Anforderungen setzt man Off-lne-Algorthmen en, um de Enhaltung der Sollzetpunkte scherstellen zu kšnnen. s d e 6-6- Zele De Zelfunktonen hšngen stark davon ab, ob VerspŠtungen tolerert werden kšnnen oder ncht. In Soft-RT-Systemen kann bespelswese de maxmale VerspŠtung L max mnmert werden. T T T3 T4 T5 d d d3 d4 d5 Maxmale Verspätung Lmax Dadurch werden aber u.u. alle Sollzetpunkte Ÿberschrtten. Bem nachfolgenden Plan erhalten wr ene sehr vel grš ere maxmale VerspŠtung, kšnnen aber bs auf enen alle Sollzetpunkte enhalten: T T3 T4 T5 T d d d3 d4 d5 Mnmerung der maxmalen VerspŠtung Be Enprozessorsystemen ohne VerdrŠngung und ohne AbhŠnggketen zwschen Prozessen lšuft das Schedulngproblem auf ene Permutaton der Prozesse hnaus. In desem Fall glt das folgende Theorem (EDD = Earlest Due Date) Satz (Jacksons Regel): Jeder Ablaufplan, n dem de Prozesse nach ncht fallenden Sollzetpunkten geordnet ausgefÿhrt werden, st optmal bezÿglch L max De Prozesse mÿssen also ledglch sortert werden, was n O(n log n) gelngt. EDD setzt voraus, dass alle Prozesse zu jedem Zetpunkt begnnen kšnnen. TatsŠchlch gbt es n velen Anwendungen frÿhestmšglche Startzetpunkte (a ). Durch de EnfŸhrung von unterschedlchen Startzetpunkten ( j, : a aj) wrd das Problem NP-hart, d.h. es st ncht n polynomaler Zet optmal lšsbar. Maxmale Verspätung Lmax

7 Mnmerung der maxmalen VerspŠtung (mt Startzetpunkten und VerdrŠngung) Wenn jedoch VerdrŠngung mšglch st, glt der folgende Satz, der wederum auf Jacksons Regel beruht: Satz (EDF: Earlest Deadlne Frst) Jeder Ablaufplan, n dem zu jedem Zetpunkt der Prozess mt dem frÿhesten Sollzetpunkt unter allen ablaufbereten Prozessen zugeordnet wrd, st optmal bezÿglch der maxmalen VerspŠtung. a T a T a4 a3 T4 T3 a5 T5 T T T T3 T4 T3 T5 T3 Perodsche Prozesse In velen Realzet-Anwendungen handelt es sch um perodsche Aufgaben, de frstgerecht durchzufÿhren snd (z.b. Auswertung von Sensordaten). Jeder Prozess st zusštzlch gekennzechnet durch sene Perode p bzw. de dazu rezproke Rate r := p Dabe muss zunšchst geprÿft werden, ob de Aufgabe Ÿberhaupt durchgefÿhrt werden kann (Enplanbarketstest, schedulablty test, feasblty test) T() a Startzetpunkt Perode(nlänge) p b T(k) d Spelraum (slack-tme) T(k+) d(k): deadlne n Perode k FŸr jeden enzelnen perodschen Prozess muss gelten: 0 < b d p d d d5 d4 d3 Be mehreren perodschen Prozessen glt als notwendge und hnrechende Bedngung b fÿr de Exstenz enes zulšssgen Plans: p Perodsche Prozesse 6-7 Als Schedulng-Verfahren be perodschen Prozessen wrd n der Regel das sogenannte ratenmonotone Verfahren (rate monotonc schedulng) engesetzt: De Prozesse erhalten ene statsche PrortŠt, de umgekehrt proportonal st zu hrer Perode, d.h. der Prozess mt der klensten Perode erhšlt de hšchste PrortŠt Be unabhšnggen Prozessen und wenn de Sollzetpunkte mt den Peroden zusammenfallen, glt der folgende Satz: Ene Menge von n perodschen Prozessen kann durch en ratenmonotones Verfahren engeplant werden, wenn de folgende Unglechung glt: n b n n p ( ) = Der lnke Tel der Unglechung drÿckt de benštgte Prozessorlestung aus, und de rechte Sete ene obere Schranke, de engehalten werden muss, damt en zulšssger Schedule entsteht. FŸr gro e n bedeutet de Schranke, dass de Prozessorauslastung ncht hšher als 69% sen darf. 6.3 Schedulng be abhšnggen Prozessen 6-8 Bsher snd wr davon ausgegangen, dass de enzuplanenden Prozesse unabhšngg vonenander waren, d.h. der Startzetpunkt war vellecht fest vorgegeben, aber ncht abhšngg von Start- oder Endezetpunkt enes anderen Prozesses. Jetzt wollen wr AbhŠnggketen zwschen Prozessen berÿckschtgen, d.h. es soll telwese ene Rehenfolge der ProzessausfŸhrung engehalten werden. Auf der Prozessmenge st ene Ordnungsrelaton defnert, de festlegt, welcher Prozess vor welchem Prozess ausgefÿhrt werden muss. De Prozesse lassen sch dann als gerchteter azyklscher Graph darstellen (DAG = drected acyclc graph). De Knotengewchte geben de Bedenzeten (AusfŸhrungszeten) der Prozesse an. Bespel fÿr enen DAG De oberen Zahlen n den Knoten snd de Prozessnummern, de unteren geben de Bedenzeten an

8 Ensatzgebete: Prozesse als Tele enes parallelen Programms, das auf enem Parallelrechner ausgefÿhrt werden soll. Prozesse als Befehle oder kurze Befehlsfolgen, de vom bersetzer be der Codeerzeugung fÿr enen superskalaren oder Ppelne-Prozessor enzuplanen snd. Zel Be gegebener Anzahl Prozessoren (bzw. parallelen AusfŸhrungsenheten) de AblaufplanlŠnge unter BerŸckschtgung der AbhŠnggketen mnmeren. Varanten: spezfsche Formen von DAGs (z.b. Intree, Outtree,...) zusštzlche BerŸckschtgung von Kommunkatonszeten (Verzšgerungen entlang der Kanten) zusštzlche BerŸckschtgung von Sollzetpunkten BerŸckschtgung des Verbndungsnetzes be enem Multrechnersystem Bespel fÿr Codeerzeugung (Instructon schedulng) Quellprogramm (Grundblock) x := a+b y := x+c z := d+e AbhŠnggketsgraph Instruktonen r := a r := b 3 r3 := r+r 4 x := t3 5 r4 := c 6 r5 := r3+r4 7 y := r5 8 r6 := d 9 r7 := e 0 r8 := r6+r7 z := t Lst-Schedulng (Hu, 96) 6-3 FŸr allgemene Schedulng-Probleme fÿr abhšngge Prozesse wrd hšufg das Lst-Schedulng verwendet. Es st en heurstsches Off-lne-Verfahren, das ncht notwendgerwese optmale PlŠne, d.h. solche mt mnmaler LŠnge erzeugt. Nur fÿr BŠume st es optmal Algorthmusschema: Gegeben Gesucht AbhŠnggketsgraph als DAG, Knoten gewchtet mt PrortŠten Ablaufplan mnmaler LŠnge fÿr k Prozessoren Intalserung: FŸge alle Quellknoten (Knoten ohne VorgŠnger) n de Lste en Schlefe: whle Lste ncht leer do () Nmm Knoten mt hšchster PrortŠt aus der Lste () WŠhle enen leeren Prozessor, um desen Knoten auszufÿhren () PrŸfe fÿr alle Knoten, de noch ncht zugeordnet und noch ncht n der Lste snd, ob alle drekten VorgŠnger abgearbetet snd. Wenn ja, fÿge desen Knoten n de Lste en Bespel Wr verwenden den Graphen von Fole 6-9 und geben allen Prozessen gleche PrortŠt. De Lste kann dann als FIFO-Warteschlange organsert sen. Der Lsten-Algorthmus erzeugt de folgenden PlŠne: be dre Prozessoren be ver Prozessoren Zet P P P3 Zet P P P 3 P

9 Varanten des Lst-Schedulng Varanten des Lst-Schedulng Snd mehrere Prozesse ablaufberet, d.h. n der Lste, so entschedet hre PrortŠt. Dese PrortŠt wurde engefÿhrt, um unterschedlche Strategen zu verfolgen Def. De PfadlŠnge n enem AbhŠnggketsgraphen st defnert als Summe aller Knotengewchte (ProzessausfŸhrungszeten) des Pfades enschlesslch des Anfangs- und Endknotens. HLF Hghest Level Frst: Der Knoten, der de lšngste Kette von Nachfolgerknoten bestzt, hat de hšchste PrortŠt. Man nennt dese Stratege auch CP (crtcal path), wel der gewšhlte Knoten auf dem krtschen Pfad legt. Da der krtsche Pfad de gesamte AblaufplanlŠnge bestmmt, st dese Stratege erfolgversprechend Def. Def. Der Level enes Knotens x st de LŠnge des lšngstens Pfades von x bs zu ener Senke, d.h. zu enem Knoten ohne Nachfolger. De Co-Level enes Knotens x st de LŠnge des lšngstens Pfades von x bs zu ener Quelle, d.h. zu enem Knoten ohne VorgŠnger. Im obgen Bespelgraphen glt: Nr Level Co-Level SLF Smallest Co-Level Frst Der Knoten, der de kÿrzeste Kette von VorgŠngerknoten bestzt, hat de hšchste PrortŠt. Da de VorgŠnger jedoch alle bearbetet snd, wenn der Knoten ablaufberet st, brngt dese Stratege weng en. HLF st fÿr baumartge Graphen mt EnhetsausfŸhrungszeten optmal und hat sch auch sonst n der Praxs als gut erwesen. (Be zufšllgen Graphen nur hšchstens 5% schlechter als de optmale Lšsung n 90% der FŠlle) HLF nmmt de Hšhe des von Knoten x abhšnggen Telbaums als PrortŠtskrterum fÿr x. Andere Varanten wšhlen statt der Hšhe auch sene Brete oder sene KardnaltŠt als PrortŠt. Zel st es dann, mšglchst vele Prozesse, zu deblockeren, d.h. ablaufberet zu machen. 6-34