Scheduling. Prozess-Ablaufplanung. Prof. Dr. Margarita Esponda Freie Universität Berlin WS 2011/2012

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1 Scheduling Prozess-Ablaufplanung Prof. Dr. Margarita Esponda Freie Universität Berlin WS 2011/2012

2 Scheduler Der Scheduler ist ein besonders wichtiges Programmteil jedes Betriebssystems. Prozesse P 1 P 2 P 3 P n... Scheduler

3 Scheduling Scheduling oder Prozess-Ablaufplanung sind die Schlüssel jedes Mehrprogrammbetriebssystems. Ziele sind: - kurze Antwortzeiten Zeit zwischen Eingabe und Reaktion - hoher Durchsatz Maximierung der Prozessanzahl pro Zeiteinheit - hohe Auslastung der Prozessoren Maximierung der CPUs-Beschäftigungszeiten - Einhaltung von Deadlines Interessant für Echtzeit-Scheduling - niedriger Durchlaufzeit Minimierung der Zeit zwischen Prozess-Start und Prozess-Beendigung

4 Scheduling-Modelle Scheduling - Prozess-basiertes Scheduling - Thread-basiertes Scheduling Grundlegende Unterteilung - preemptive Scheduling-Algorithmen - nicht preemptive Scheduling-Algorithmen Drei Verarbeitungsumgebungen für Scheduling: - Stapelverarbeitung - nicht interaktive Programme (häufig bei Großrechnern) - Interaktive Systeme - typisch für Arbeitsplatzrechner und Server - Echtzeit-Systeme - Multimedia Anwendungen oder Steuerungsaufgaben

5 Scheduling Eigentliche Prozess-Umschaltung Overhead Alle Teile des Prozesskontextes, die auf irgendeine Weise beschädigt werden könnten, müssen gespeichert werden. Prozess-Entscheidung Hier werden meistens einfache Algorithmen verwendet.

6 Scheduling long-term Scheduling Prozesse werden zur weiteren Ausführung aus dem Massenspeicher geholt und im Hauptspeicher wieder geladen. Zwei Ebenen "swaping" short-term Scheduling Aus der Liste der Prozesse, die ausführungsbereit sind, wird einer ausgewählt.

7 Zwei Ebenen swap in Scheduling swapped-out Prozesse swap out P b3 P b2 P b1 CPU End Ein-/Ausgabe P io1 P io2 P io3 P io4 Zeit abgelaufen Wartet auf andere Ereignisse

8 Dispatcher Das Dispatcher-Modul übergibt die Kontrolle der CPU an den vom Scheduler ausgewählten Prozess. Aufgaben: Kontextwechsel Umschaltung im Benutzer-Modus Springt in die Adresse des Prozesses, dessen Ausführung wieder gestartet werden muss. Dispatch latency Zeit zwischen Prozess-Stop und Prozess-Start

9 Verschiedene Sorten von Prozessen Rechenintensiver Prozess E/A-Wartezeit Ausführungszeit Ein-/Ausgabeintensiver Prozess Ausführungszeit E/A-Wartezeit

10 CPU-I/O Burst Cycle CPU-Burst CPU-I/O Burst Cycle I/O Burst Maximale Durchsatz + Optimale I/O-Geräte Auslastung Überlappung der Aktivitäten mit Multiprogramming

11 CPU-I/O Burst Cycle Wie oft eine CPU-Burst Länge vorkommt? Frequenz Typisches Verhalten - Anwendungsabhängig - Systemabhängig (Hardware) CPU-Burst Dauer

12 Anforderungen an den Scheduler Aus der Benutzersicht: - Minimierung der Durchlaufzeit (absolute Ausführungszeit + Wartezeiten) - Minimierung der Antwortzeit (interaktive Systeme) - Einhaltung von Zeitschranken (Deadlines) Aus der Systemsicht: Besonders wichtig für Echtzeit-Betriebssysteme - Maximierung des Durchsatzes - Maximierung der Prozessorauslastung - Balance. Auslastung aller Ressourcen - Fairness. Gleichwichtige Prozesse sollen möglichst gleich behandelt werden

13 Kriterien für das Scheduling CPU-Auslastung Durchsatz Turnaround Time Ausführungszeit Wartezeit Antwortzeit Beschäftigungszeit (in Prozent). Anzahl der Prozesse, die pro Zeiteinheit ausgeführt werden. Durchschnittszeit der Verarbeitung einzelner Jobs. Effektive CPU-Zeit, die ein Prozess von der CPU in Anspruch nimmt. Zeit, die ein Prozess in Warteschlangen verbringt. Zeit zwischen Anforderung und Antwort. Overhead Zeitaufwand für die Entscheidung + Kontextwechsel.

14 Ziele verschiedener Scheduling-Strategien Nach Tanenbaum: Alle Systeme Stapel-Systeme Interaktive- Systeme Echtzeit- Systeme Fairness- jeder Prozess bekommt einen fairen Anteil des CPU. Policy Enforcement- vorgegebene Strategien werden durchgesetzt. Balance- alle Teile des Systems sind ausgelastet. Durchsatz- Maximierung der Jobs pro Stunde. Durchlaufzeit- Minimierung der Zeit vom Start bis zur Beendigung CPU-Ausnutzung- der CPU ist immer ausgelastet Antwortzeit- schnelle Reaktion auf Anfragen. Proportionalität- Erwartungen des Benutzers erfüllen. Deadlines einhalten- Datenverlust ausschließen. Vorhersagbarkeit- Qualitätseinbußen in Multimedia-Systemen vermeiden.

15 Zwei Kategorien von Schedulern Nicht unterbrechend (nonpreemptive) Unterbrechungen nur bei a) Terminierung b) Selbstblockierung (Warten auf externe Ereignisse) c) Ein-/Ausgabe Unterbrechend (preemptive) aktive Prozesse können in den Bereit-Zustand des Betriebssystems versetzt werden.

16 Scheduling-Algorithmen First-Come First-Served FCFS - nicht unterbrechbarer Stapel-Algorithmus - einfachster aller Scheduling-Algorithmen - FIFO-Warteschlange Beispiel: P 1 P 2 P 3 Zeit P 1 P 2 P 3 Prozesse P 1 Ankunft 0 Ausführungszeit 5 Wartezeit 0 Durchschnittliche Wartezeit 3 P P

17 First-Come First-Served FCFS Probleme - convoy effect - niedrigere CPU-Auslastung - schlechte Nutzung von Ein-/Ausgabe-Geräten - ungeeignet für interaktive Systeme Vorteile - sehr einfach zu implementieren - niedriger Scheduling-Overhead

18 Scheduling-Algorithmen Shortest Job First SJF Der Prozess mit der kürzesten Ausführungszeit wird zuerst ausgeführt - nicht präemptiver Stapelverarbeitungsalgorithmus - Laufzeiten sind vorher bekannt Die durchschnittliche Wartezeit wird minimiert. Shortest Remaining Time First Die präemptive Version von Shortest Job First

19 Shortest Job First SJF Beispiel: Prozesse P 1 P 2 P 3 P 4 Ankunft Ausführungszeit Wartezeit FCFS P 1 P 2 P 3 P Durchschnittliche Wartezeit 4,5 SJF 0 P 1 P 3 P 4 P Wartezeit Durchschnittliche Wartezeit 2,25

20 Shortest Job First SJF Der SJF-Scheduling scheint optimal, um die durchschnittliche Wartezeit der Prozesse zu minimieren. Wie können wir wissen, welche CPU-Burst ein Prozess haben wird? Batch System Der Benutzer kann eine Schätzung eingeben. Kurzzeit-Scheduling Eine Voraussage kann approximiert werden.

21 CPU-Burst Approximierung Exponentieller Durchschnitt τ n+1 = α t n + (1 α) τ n τ n+1 = α t n + (1 α) (α t n 1 + (1 α) τ n 1 ) τ n+1 = αt n + (1 α)ατ n (1 α) n αt 1 + (1 α) n+1 t 0 τ n+1 t n τ n Voraussage des nächsten CPU-Burst Zeit des letzten CPU-Burst Letzte Voraussage Wenn α = 0 die nahe Vergangenheit ist unwichtig τ n+1 = τ n Wenn α = 1 τ n+1 = t n (nur der letzte CPU-Burst ist wichtig) Wenn α = 1 2 die Zeiten verlieren mit der Zeit an Bedeutung.

22 CPU-Burst Approximierung 10 t 1 τ α = CPU Burst t Voraussage τ i 6 7 6,5 5,25 5,7 7,3 8,2 8,6...

23 Round-Robin Scheduling - benutzt in interaktiven Systemen - ältester, einfachster und meist verwendeter Algorithmus - jedem Prozess wird ein Zeitabschnitt zugewiesen (Quantum) - ein Prozess wird an das Ende der Warteschlange geschickt, wenn er blockiert wird oder sein Quantum verbraucht hat Die einzige interessante Frage von Round-Robin betrifft die Länge des Zeitquantums. Gewöhnliches Quantum = 10 bis 100 ms

24 Round-Robin RR A B C D E Aktiver Prozess B B C D E C D E A Wenn das Quantum zu groß ist -> FCFS Wenn das Quantum zu klein ist, ist der Aufwand des Kontext-Wechsels zu groß.

25 Durchschnittliche Verarbeitungszeit mit verschiedenen Quanten Beispiel aus Silberschatz: Die Durchschnittszeit der Verarbeitung einzelner Jobs wird nicht unbedingt besser mit der Vergrößerung des Quantums.

26 Prioritätsbasiertes Scheduling Jeder Prozess bekommt eine Prioritätszahl zugewiesen und der Prozess mit der höchsten Priorität wird bevorzugt. Prioritäten können statisch oder dynamisch zugewiesen werden. nach internen Kriterien Durchschnitt E/A-Zeit Prioritäten Vergabe Speicherbedarf durchschnittliche CPU-Zeit Zeitgrenzen usw. nach externen Kriterien

27 Prioritätsbasiertes Scheduling Probleme: Starvation Prozesse mit niedriger Priorität warten ewig. Lösung: Prozesse mit niedriger Priorität verbessern ihre Priorität, je länger sie warten. "aging" Prioritätsumkehrproblem Ein Prozess mit niedriger Priorität blockiert durch die Verwendung von gemeinsamen Ressourcen Prozesse mit höherer Priorität. Lösung: Prioritätsvererbung. Der Ressourcenbesitzer bekommt temporär höhere Priorität.

28 Vererbung von Prioritäten T 1 startet hier und hat die höchste Priorität (p 1 ) lock R fails lock(r) unlock(r) T 1 T 2 startet T 1 blockiert T 2 und T 3 T 2 lock(r) unlock(r) T 2 blockiert T 1 T 3 T 3 bekommt die Priorität p 1 T 3 blockiert T 2

29 Multilevel Queue Scheduling Verschiedene Scheduling-Algorithmen für verschiedene Gruppen von Prozessen. Beispiel: PRIO Systemprozesse S 4 S 3 S 2 S 1 Benutzer iterativer Prozesse RR B 5 B 4 B 3 B 2 B 1 FCFS preemptive Stapelprozesse P 5 P 4 P 3 P 2 P 1

30 Highest Response Ratio Next Verwendet den Antwortquotienten der Prozesse R = w + s s R = Antwortquotient w = Wartezeit s = erwartete Bearbeitungszeit Es wird der Prozess ausgewählt, dessen Wert R am höchsten ist. Prozesse mit kürzerer Bearbeitungszeit werden bevorzugt, aber Prozesse mit langen Wartezeiten verhungern nicht.

31 Multilevel Feedback Queue Scheduling Vier Prioritätsklassen Beispiel: neue Prozesse Quantum = 4 Höchste Priorität Quantum = 8 Quantum = 16 FCFS Niedrigste Priorität Die Prozesse wandern mit der Zeit nach unten. Niedrigere Priorität, aber größere Quantum.

32 Multilevel Feedback Queue Scheduling Parameter: - Anzahl der Warteschlangen. - Scheduling-Algorithmen für jede Warteschlange. - Wann können Prozesse zwischen den Warteschlangen wandern. - Wo werden neu gestartete Prozesse eingeordnet. - Wie oft wird Scheduling-Information aktualisiert - Welches Feedback wird verwendet.

33 freebsd-scheduler "multilevel feedback queue scheduler" Dynamische Prioritäten nice-wert. Nettigkeit eines Threads gegenüber den anderen. -20 nicht nett und will mehr CPU-Zeit 0 er will gleich bleiben 20 sehr nett und gibt CPU-Zeit ab 128 verschiedene Prioritäten von 0 (PRI_MIN) bis 127 (PRI_MAX) In jedem 4. Zeit-Quantum werden die Prioritäten neu berechnet

34 freebsd-scheduler Aktive Tasks Warteschlangen - Prozesse der Warteschlange, mit der höchsten Priorität werden zuerst gewählt. - RR-Strategie innerhalb einer Warteschlange - Ein-/Ausgabeintensive Prozesse werden gegenüber rechenintensiven Prozessen favorisiert.

35 freebsd-scheduler Berechnung der Prioritäten in Pintos priority = PRI_MAX - (recent_cpu / 4) - (nice * 2) mit PRI_MAX = 63 nice = wird vom Benutzer gesetzt recent_cpu = (2*load_avg)/(2*load_avg + 1) * recent_cpu + nice load_avg = (59/60)*load_avg + (1/60)*ready_threads