(Prof. Dr. J. Schlichter, WS 2011 / 2012) Übungsleitung: Dr. Wolfgang Wörndl

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1 Übung zur Vorlesung Grundlagen Betriebssysteme und Systemsoftware (Prof. Dr. J. Schlichter, WS 2011 / 2012) Übungsleitung: Dr. Wolfgang Wörndl (gbs-ws11@mailschlichter.informatik.tu-muenchen.de) Übungsblatt 7 Abgabe der Hausaufgaben vor der nächsten Tutorübung (KW 51: ) per an den Tutor der eigenen Gruppe. Der Betreff der Mail sollte folgendem Schema genügen: GBS Abgabe HA: Übungsblattnummer; Übungsgruppennummer Musterlösungen Tutoraufgaben: ab (18 Uhr), auf der Download. Übungswebseite zum Musterlösungen Hausaufgaben: Download. ab (18 Uhr), auf der Übungswebseite zum Stoff Es wird empfohlen folgende Literatur durchzuarbeiten: Skript zur Vorlesung: Kapitel 4, insb. 4.3 Tanenbaum Modern Operating Systems [Tan09]: Abschnitte , insbesondere Interprocess Communication (2.3) und Scheduling (2.4) Siegert, Baumgarten Betriebssysteme [SB06]: Kapitel 4-6: Prozesse, Prozesssynchronisation, Verklemmungen

2 1 Scheduling I - Round Robin (Tutoraufgabe) Lernziele Diese Aufgabe demonstriert die Bewertung eines Scheduling Algorithmus. Konkret wird dies am Beispiel der Round-Robin Scheduling-Strategie durchgeführt. Aufgabe Ein Scheduler verwende eine prioritisierte Zeitscheibenstrategie: Das Quantum beträgt q = 2 Zeiteinheiten. Jeder Prozess P besitzt eine Initialpriorität I. Im rechnenden Zustand wird die Priorität des Prozesses je nach 1 Zeiteinheit um 2 erniedrigt. Im rechenwilligen Zustand wird die Priorität des Prozesses alle 2 Zeiteinheit um 1 erhöht. Prioritäten reichen von 0 bis 20, wobei 0 die niedrigste und 20 die höchste Prioritäten darstellen. In jedem Zeitquantum wird der Prozess mit der höchsten Priorität ausgewählt. Nun seien drei Prozesse P 1, P 2 und P 3 gegeben. Der Vektor ihrer Initialprioritäten sei: I = (10, 9, 14) Der Vektor der Ankunftszeiten der Prozesse sei: a = (0, 2, 0) Ferner seien die Bedienzeiten (in Zeiteinheiten) der Prozesse bekannt: b = (6, 6, 8) Anmerkung: Jeder Vekror v = (v i ) + beschreibt alle Prozesse wobei v i entprechend P i bezeichnet. 1.1 Visualisierung Aus der Aufgabestellung gehen die Ankunftszeiten der Prozesse am Scheduler durch a hervor. Auch ihre Bedienzeiten sind durch b bekannt. Es können jedoch nicht alle alle Prozesse sofort nach ihrer Ankubft bedient werden. Visualisieren Sie die Ausführung von P 1, P 2 und P 3 in einem Diagramm, indem Sie die zeitliche Abfolge der Bedienung der Prozesse darstellen. Skizzieren Sie sowohl die Bedienung als auch die Wartezeit des jeweiligen Prozesses! Verwenden Sie hierzu die x-achse für die zeitliche Dimension und die y-achse für die Prozesse. Stellen Sie für jeden Prozess die Wartezeit in Form einer gestrichelten Linie, und die Bedienzeit in Form einer ununterbrochenen Linie dar!

3 1.2 Bewertung Berechnen Sie die mittlere Wartezeit W und die mittlere Verweilzeit V für dieses Szenario! Nutzen Sie zur Berechnung folgende Formeln: c i bezeichnet die Abgangszeit (der Zeitpunkt seiner fertigen Berechnung) des Auftrags A i, a i seine Ankunftszeit und b i seine Bedienzeit; v i = c i a i bezeichnet die Verweilzeit des Auftrags A i ; w i = v i b i = c i a i b i bezeichnet die Wartezeit des Auftrags A i ; Gibt es n N Aufträge, so gilt für die mittlere Verweilzeit: V = 1 n n i=1 v i Für die mittlere Wartezeit gilt: W = 1 n n i=1 w i Bezeichnet b = 1 n n b i die mittlere Bedienzeit, so gilt folgender Zusammenhang: i=1 V = W + b Abgabe Diese Aufgabe wird in der Tutorübung gemeinsam besprochen und muss nicht abgegeben werden. 2 Scheduler & Dispatcher (Tutoraufgabe) Lernziele Diese Aufgabe soll den Zusammenhang zwischen Scheduler und Dispatcher verdeutlichen sowie einige verschiedenen Scheduling Algorithmen gegenüberstellen. Aufgabe Für die Realisierung von Prozessen auf realen Prozessoren sind Verwaltungsoperationen auszuführen, die die Zustandsübergänge zwischen real rechnend und rechenwillig der Prozesse durchführen. Die entsprechenden Operationen (Programme), die vom Dispatcher definiert werden, sind das Binden eines Prozesses an einen Prozessor und schliesslich das Lösen der Bindung.

4 2.1 Prozesszustände Es sei angenommen, ein Prozess kann die folgenden vier Zustände annehmen: rechenwillig rechnend wartend ausgelagert Die Übergänge zwischen diesen Zuständen werden vom Dispatcher realisiert. Dieser koordiniert die Zuweisung des Rechenkerns an den Prozess, so dass dieser rechnen kann. Skizzieren Sie diese Zustände in einem Graphen und benennen Sie die Zustandsübergänge sinnvoll! 2.2 Dispatcher Machen Sie sich mit dem Zusammenhang von Scheduler und Dispatcher vertraut und beantworten Sie folgende Fragen! Kurze, stichpunktartige Antworten sind hierfür ausreichend. 1. Was ist ein Prozesskontrollblock (PCB)? 2. Welche Bedeutung hat der PCB für das Scheduling? Welche für das Dispatching? 3. Welche weiteren Informationen (außer dem PCB) werden für einen Prozesswechsel benötigt? 4. Worin liegt der Unterschied zwischen dem Dispatchen von Prozessen und dem Dispatchen von Threads? Gehen Sie dabei insbesondere auf Benutzer-Level und Kernel-Threads ein! 5. Grenzen Sie die Aufgabe des Dispatchers von der des Schedulers ab! Wie gestaltet sich die Zusammenarbeit dieser beiden Komponenten? 6. Beschreiben Sie den Ablauf eines Kontextwechsels bzw. des Dispatching eines Prozesses! 7. Welche Rolle spielt die Größe des Prozesskontrollblocks beim Kontextwechsel? Betrachten Sie diesem Aspekt im Hinblick auf Häufigkeit und Effizienz multipler Kontextwechsel. 2.3 Scheduling Stategien Es seien 3 Prozesse gegeben. Der Vektor ihrer Ankunftszeiten am Scheduler beträgt a = (0, 5, 2). Ihre Bedienzeiten sind durch b = (7, 3, 4) gegeben. Nehmen Sie an, dass ein Kontextwechsel 1 Zeiteinheit benötigt. Skizzieren Sie unter diesen Annahmen den Ablauf der Prozesse in einem Zeit-Prozess-Diagram für folgende Scheduling Strategien: 1. First-Come-First-Served (FCFS): Ununterbrechbar, Prozesse werden in der Reihenfolge ihrer Ankunftszeiten abgearbeitet.

5 2. Shortest Remaining Processing Time (SRPT): Unterbrechbar, Auswahl des Prozesses mit der kürzesten verbleibenden Bedienzeit, Unterbrechungen erfolgen nur beim Eintreffen eines neuen Prozesses. 3. Round-Robin mit einem Zeitquantum von 1 Zeitenheit und zyklischer 1 Abarbeitung der Prozesse (gleiche und nicht veränderbare Prioritäten) 4. Round-Robin mit einem Zeitquantum von 2 Zeitenheiten und zyklischer Abarbeitung der Prozesse (gleiche und nicht veränderbare Prioritäten) Basierend darauf, beantworten Sie folgende Fragen: 1. Berechnen Sie die mittlere Wartezeit und die mittlere Verweilzeit für die einzelnen Strategien. 2. Identifizieren Sie den Prozess mit der kürzesten Wartezeit. 3. Was fällt Ihnen bei beim Vergleich der Round-Robin-Strategien auf? Welche Vorteile haben kurze bzw. lange Zeitquanten in Bezug auf Effizienz und Reaktionszeiten für I/O- Aufträge? Abgabe Diese Aufgabe wird in der Tutorübung gemeinsam besprochen und muss nicht abgegeben werden. 3 Scheduling II - UNIX Scheduling (Hausaufgabe) Aufgabe Eine Strategie für die Prozessorverwaltung besteht darin, an die Prozesse Prioritäten zu vergeben. Der Prozessor wird dann jeweils dem Pozess mit der höchsten Priorität zugeteilt. Die Prioritätenvergabe kann dabei statisch oder dynamisch erfolgen. Im ersten Fall hat jeder Prozess für die Dauer seiner Existenz eine feste Priorität; im zweiten Fall können sich die Prioritäten der Prozesse dynamisch verändern, d.h. sie werden in gewissen Zeitabständen neu berechnet. Bei einer Zeitscheibenstrategie (Round-Robin-Strategie) werden die Prozesse an den Prozessor jeweils für ein festgelegtes Zeitquantum (in 4.3 BSD Unix beträgt z.b. die Zeitscheibe 100 ms) gebunden und spätestens nach dem Ablauf dieser Zeitspanne wird den Prozessen der Prozessor wieder entzogen. Zeitscheibenstrategien und Prioritätenvergabe können zu effizienten Verwaltungsstrategien kombiniert werden. In dieser Aufgabe wird das Scheduling in dem Betriebssystem 4.3 BSD Unix genauer betrachtet. Bei dem Unix-Scheduling handelt sich um eine Zeitscheibenstrategie mit dynamischer Prioritätenvergabe. Unix vergibt für seine Prozesse Prioritäten von (0 ist die höchste Priorität), die in 32 Warteschlangen verwaltet werden. Ein Prozess mit Priorität P RIO wird 1 Sortierung nach PID der Prozesse

6 in die Schlange P RIO/4 eingeordnet. Alle Prozesse einer Prioritätsklasse befinden sich in einer Warteschlange, die nach einer Round-Robin Strategie abgearbeitet wird. Zunächst wird allen Prozessen der Warteschlange mit höchsten Prioritäten die CPU zugeteilt bis die Warteschlange leer ist. Dann kommen die Prozesse aus der Warteschlange mit den nächstniedrigeren Prioritäten zum Zuge. Die Prioritäten werden jedoch fortlaufend neu berechnet (multilevel-feedback-queue). Die Prioritäten der Prozesse, die in einem gewissen Zeitabschnitt viel Rechenzeit verbraucht haben, werden erniedrigt; Prozesse, die lange gewartet haben, erhalten eine höhere Priorität ( shortterm-scheduling ). Die Prioritäten werden folgendermaßen berechnet: (1) u prio = USER PRIO + p cpu / * p nice, wobei p cpu die Prozessornutzung des rechnenden Prozesses ist und alle 10 ms um 1 inkrementiert wird. p nice ist ein vom Benutzer bestimmter Gewichtungsfaktor (-20 p nice 20) und USER PRIO ist die Priorität, die dem Prozess beim Start zugeteilt worden ist. p cpu wird jede Sekunde angepasst durch: (2) p cpu = ((2 * load) / (2 * load + 1)) * p cpu + p nice, wobei load eine Abschätzung der CPU-Auslastung ist. Die Anpassung (2) sorgt dafür, dass bisher verbrauchte Rechenzeit nach einer gewissen Zeit nicht mehr ins Gewicht fällt. 3.1 Ablauf In dieser Teilaufgabe sollen Sie sich das Unix-Scheduling an einem kleinen Beispiel verdeutlichen. Gegeben seien dazu folgende Prozesse mit ihrer Bedienzeit und Anfangspriorität: Prozess Bedienzeit Priorität Zeichnen Sie die Abarbeitungsfolge der Prozesse, die sich bei Anwendung der oben erläuterten Strategie des short-term-schedulings ergibt, in einer Tabelle geeignet auf. Die Tabelle sollte Spalten für Bedienzeit, Priorität und p cpu für jeden der fünf Prozesse enthalten. Die Zeilen der Tabellen ergeben den Zeitablauf. Zur Vereinfachung nehmen Sie an, dass ein Zeitquantum den Wert 1 hat, p cpu (des rechnenden Prozesses!) in jedem Zeitquantum um 8 erhöht wird, p nice den Wert 0 hat und load gleich 1 ist. Die Priorität aller Prozesse soll nach jedem vierten Quantum neu berechnet werden. Runden Sie bei der Berechnung von p cpu und den Prioritäten das Ergebnis immer nach oben ab. 3.2 Short term scheduling Welche Beweggründe stehen hinter dem short-term-scheduling?

7 Abgabe Text und Grafiken als PDF.