Begriff: Scheduling Planung, Schedule Plan. Verplanung der CPU-Zeit an die Threads (bzw. Prozesse)

Transkript

1 5 CPU-Scheduling Im folgenden wird von Threads gesprochen. Bei Systemen, die keine Threads unterstützen, ist der einzige "Thread" eines Prozesses gemeint. Früher wurde dieser Thread synonym mit dem Begriff Prozess bezeichnet. Begriff: Scheduling Planung, Schedule Plan Verplanung der CPU-Zeit an die Threads (bzw. Prozesse)

2 5.1 Konzepte Thread... CPU-Burst read I/O-Burst CPU-Burst write I/O-Burst CPU-Burst Ein Threadablauf besteht aus einer Folge von CPU-Ausführung (CPU-Burst) und I/O-Warten. Entsprechend dem Programmprofil gibt es eine Kurve über die Anzahl der CPU-Bursts bezogen auf ihre Dauer. Threadcharakterisierung: I/O intensiv (I/O-bound) kurze CPU-Bursts viele I/O-Bursts CPU intensiv (CPU bound) lange CPU-Bursts wenig I/O-Bursts

3 Anzahl msec Dauer der CPU-Bursts (gemessen)

4 * Kurzzeit-Scheduler - wählt einen aus den Threads aus, die bereit zur Ausführung sind und weist ihm die CPU zu. * Das CPU-Scheduling kann aktiviert werden, wenn ein Thread: 1. sich von running (aktiv) auf wartend setzt. 2. von running auf bereit gesetzt wird. 3. von wartend auf bereit gesetzt wird. 4. endet. Das Scheduling unter 1. und 4. ist nicht entziehend (nonpreemptiv). Freiwillige Aufgabe der CPU Das andere Scheduling ist entziehend (preemptiv). Eine nicht freiwillige Aufgabe der CPU ist möglich.

5 .1.2 Dispatcher Die Dispatch-Funktion übergibt die Kontrolle der CPU an den vom Kurzzeit- Scheduler ausgewählten Thread. Dies schließt ein: - Umschalten des Kontextes => u.a. Registersätze der CPU abspeichern und neu laden - Schalten in den User-Modus - Verzweigen zu entsprechenden Stelle im Programm, um dieses korrekt fortzusetzen Dispatch-Verzögerung - Zeit die ein Dispatcher benötigt, um einen Thread anzuhalten und einen anderen running zu setzen. Bei Threads verschiedener Prozesse muss zusätzlich der Adressraum umgeschaltet werden. Stichwort: Kontext-Umschaltung, Umschalten der Prozessumgebung

6 .2 Kriterien zum Scheduling Scheduling ist kein Problem beim Desktop, auf dem Word läuft. (==> CPU-Auslastung 0-2%) - Interaktiver Betrieb Jedoch bei Rechnern, auf denen viele Serverprozesse laufen. Batch-Betrieb, Transaktionen CPU-Auslastung - halte die CPU möglichst in Betrieb Durchsatz - Zahl der Threads, die pro Zeiteinheit ausgeführt werden Threadlaufzeit - Zeit, die ein Thread zur Ausführung benötigt Wartezeit - Zeit, die ein Thread insgesamt in der Bereit-Liste verbringt Antwortzeit - Zeitdauer zwischen der Kommandoübergabe und der ersten Reaktion des Programms bzw. zwischen Anforderung und Bedienung

7 5.2.1 Optimierungsziele - Maximale CPU-Auslastung - Maximaler Durchsatz - Minimale Laufzeit - Minimale Wartezeit

8 .2.2 First-Come, First-Served (FCFS) Scheduling eispiel: Thread Burst-Zeit P1 24 P2 3 P3 3 ngenommen, die Threads kommen in folgender Reihenfolge: P1, P2, P3. P1 P2 P artezeiten für P1 = 0 P2 = 24 P3 = 27 urchschnittliche Wartezeit: ( )/3= 17

9 Angenommen, die Threads kommen in der Reihenfolge: P2, P3, P1 P2 P3 P Wartezeiten für: P1 6 P2 0 P3 3 Durchschnittliche Wartezeit: (6+0+3)/3= 3 Der Wert ist wesentlich besser als vorher. Faustregel: kurze Threads vor den langen Threads

10 .2.3 Shortest-Job-First (SJF) Scheduling Ordne jedem Thread die Länge des nächsten CPU-Burst zu. Der Scheduler wählt den Thread mit der kürzesten Zeit aus. Zwei Schemata: a) nonpreemptive - dem Thread wird während des gesamten CPU-Bursts die CPU nicht entzogen b) preemptive - wenn ein Thread bereit wird, der eine kürzere CPU-Burstzeit hat als die verbleibende Zeit des derzeitigen Running-Threads, so wird diesem die CPU entzogen. Dieses Schema ist als Shortest-Remaining-Time- First (SRTF) bekannt. SJF ist optimal - ergibt ein minimale durchschnittliche Wartezeit für eine gegebene Menge von Threads.

11 eispiel für SJF Thread Ankunftzeit CPU-Zeit P1 0 7 P2 2 4 P3 4 1 P4 5 4 SJF (non-preemptive) P1 P3 P2 P urchschnittliche Wartezeit = ( )/ 4 = 4

12 * SRTF (preemptive) P1 P2 P3 P2 P4 P Durchschnittliche Wartezeit = ( )/4 = 3 Wie kann man die Länge des nächsten CPU-Burst erhalten? * Der Wert kann nur geschätzt werden. * Mögliches Verfahren: Berechnung über die Länge der vorangehenden CPU-Bursts des Threads. SJF bevorzugt I/O intensive Threads!

13 .2.4 Scheduling mit Priorität Jedem Thread wird eine Prioritätszahl (integer) zugeordnet. Die CPU wird dem Thread zugeordnet, der die höchste Priorität hat (kleinste ahl <-> höchst Priorität). A) preemptive B) nonpreemptive SJN ist ein Scheduling mit Priorität, die Priorität ist die vorhergesagte ächste CPU-Burstzeit. Problem: Verhungern (Starvation) - ein Thread mit sehr niedriger Priorität erhält nie die CPU Lösung: Altern - mit zunehmender Zeit erhöht sich die Priorität des Threads

14 5.2.5 Round-Robin ("Reihum") üblich bei interaktivem Betrieb * Jeder Thread erhält eine kleine Einheit der CPU-Zeit (Zeitscheibe), gewöhnlich msek. Nach Ablauf dieser Zeit wird die CPU entzogen, der Thread wird am Ende der Bereit-Liste angehängt. * Performance q groß -> FIFO q klein -> q muß groß sein gegenüber der Kontextumschaltung, sonst ist der Overhead zu groß.

15 Beispiel für RR mit einer Zeitscheibe = 20 Thread CPU-Zeiten P1 53 P2 17 P3 68 P4 24 P1 P2 P3 P4 P1 P3 P4 P1 P3 P Typischerweise eine längere Laufzeit als SRTF, jedoch die Antwortzeit ist besser.

16 .3 Dynamische Prioritätssteuerung und Preemption eispiel Windows NT n winbase.h sind 4 Prioritätsklassen definiert.. Echtzeit. Hoch. Normal (Anwendung) (variabel). Leerlauf ie Priorität kann im Ablauf des Prozesses (bzw. des Thread) dynamisch geändert erden. ede Prioritätsstufe hat eine eigene Liste, die Liste wird Round Robin mit eitscheiben (variable Länge, meist 10 msec) abgearbeitet. ine Liste kommt nur dann zum Zuge, wenn alle Listen der höheren rioritätsstufen leer sind.

17 Beispiel Windows 2000 Prozesse Prioritätsstufen: 1. Echtzeit Dynamische Stufen Stufe 0 reserviert für das System (Nullseiten Thread) Dynamische Stufen: 1. Hoch, Stufe 13 voreingestellt 2. Höher als Normal, Stufe 10 voreingestellt 3. Normal, Stufe 8 voreingestellt 4. Niedriger als Normal, Stufe 6 voreingestellt 5. Leerlauf, Stufe 4 voreingestellt Für jede der Prioritäten kann der voreingestellte Wert um bis zu 2 vergrößert oder vermindert werden.

18 noch Windows 2000 Threads Ein Thread erhält üblicherweise die Priorität des Prozesses als Basispriorität. Zusätzlich zur Basispriorität besitzt ein Thread eine aktuelle Priorität. Die aktuelle Priorität ist ein Wert im dynamischen Bereich Der aktuelle Wert kann durch die Threads und das System dynamisch angepasst werden. Dispatch Die (bereiten) Threads werden nach Priorität geordnet. Haben mehrer Threads gleiche Priorität, so gibt es ein Round-Robin- Verfahren.

19 noch Windows 2000 Zeitscheibenlänge Windows 2000 Professional: 6 Zeiteinheiten Windows 2000 Server: 36 Zeiteinheiten Reale Zeitdauer: Bei jedem Interrupt des Zeitgebers werden 3 Zeiteinheiten abgezogen. Der Zeitgeber meldet sich beim x86-einprozessorsystem alle 10 msec, beim x86-mehrprozessorsystem alle 15 msec. Damit ergibt sich für ein x86-einprozessorystem mit W2000 Prof. eine Länge von 20 msec.

20 Beispiel Linux Dynamische Prioritäten Viel Funktionen und Dienste des Betriebssystemkerns dürfen nicht unterbrochen werden. Dies wird in LINUX über Prioritätstufen erreicht. Obere Hälfte der Interruptfunktionen Untere Hälfte der Interruptfunktionen Systemfunktionen des Kernes (nicht unterbrechbar) Anwendungen (user mode, unterbrechbar) hohe Priorität niedrige Priorität

21 ür die "normalen" Threads hat LINUX folgendes Schema: Für einen Thread wird eine Priorität festgelegt: P, höheres P => höhere Priorität. Bei Threadstart werden dem Thread Kreditpunkte K zugewiesen. Es wird K = P gesetzt. Ist ein Thread aktiv (running), so wird bei jedem Interrupt des Timers K um 1 Punkt vermindert. Der Thread verliert die CPU, wenn K==0 ist. Haben alle bereiten Threads K==0, so wird K für alle Threads neu berechnet: K = K/2 + P Da diese Neubewertung auch für die wartenden Threads durchgeführt wird, bei denen K!=0 ist, erhalten diese Threads eine höhere Punktzahl. => I/O intensive Threads erhalten eine höhere Priorität.

22