Scheduling. Teil 2. Prof. Dr. Margarita Esponda Freie Universität Berlin WS 2011/2012

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1 Scheduling Teil 2 Prof Dr Margarita Esponda Freie Universität Berlin WS 2011/2012

2 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

3 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

4 BSD 52-Scheduler "multilevel feedback queue scheduler" Dynamische Prioritäten nice-wert Nettigkeit eines Threads gegenüber den anderen -20 ich bin nicht nett und will mehr CPU-Zeit 0 er will gleich bleiben 20 ich bin sehr nett und gibt CPU-Zeit ab der Prioritätszerfall wird gebremst die Prioritätszerfall wird beschleunigt

5 BSD 52 - Scheduler Scheduling-Klassen Priorität Klasse Thread-Type 0-63 ITHD Botton-half kernel (Interrupt) KERN Top-half kernel REALTIME Real Time TIMESHARE Time-sharing user IDLE Idle user

6 BSD 52 Scheduler "multilevel feedback queue scheduler" 64 verschiedene Prioritäten in der Time-sharing-Klasse von 160 (PRI_MIN_TIMESHARE) bis 223 (PRI_MAX_TIMESHARE) In jedem 4 Zeit-Quantum (ca 40 Millisekunden) werden die Prioritäten neu berechnet die Prioritäten fallen linear in Bezug auf die verbrauchte CPU- Zeit negative nice-werte verspäten der Zerfall der Priorität von rechenintensiven Threads Ein-/Ausgabe intensive Threads werden favorisiert

7 BSD-Scheduler Berechnung der Prioritäten im BSD 52 Die Prioritäten werden mit Hilfe der nice und recent_cpu Komponenten der Thread-Struktur berechnet user _ priority = PRI _ MIN _TIMESHARE recent _ cpu nice Wobei - nice vom Benutzer gesetzt wird, - recent_cpu mit einem exponentiell gewichteten gleitenden Durchschnitt approximiert wird - und PRI_MIN_TIMESHARE = 160

8 BSD-Scheduler Berechnung der Prioritäten Berechnung des recent_cpu eines Threads: pro Tacktzyklus (clock tick) wird recent_cpu um 1 inkrementiert, wenn das Thread gerade ausgeführt wird jede Sekunde wird in Abhängigkeit der durchschnittlichen Anzahl der Threads (avg_load) des Systems eine Korrektur gemacht recent _ cpu t = 2 avg _load t 2 avg _ load t + 1 recent _ cpu t 1 + nice avg_load ist die durchschnittliche Anzahl von Threads (run-queue + wait-queue) in den letzten 60 Sekunden avg _load t = i=t 60 i=t length(run _ queue i ) + length(wait _ queue i ) 60

9 BSD 52 -Scheduler Berechnung der Prioritäten Wenn ein Thread gerade aus dem Warte-Zustand raus kommt, wird seine recent_cpu wie folgt berechnet: recent _ cpu t = 2 avg _load t 2 avg _ load t + 1 sleep _ time t recent _ cpu t 1 + nice

10 BSD 52 - Scheduler Nehmen wir an, wir haben nur ein Thread mit nice = 0 und Ti = akkumulierte Tackt-Zyklen (Ausführungszeit) innerhalb des Zeitintervalls i recent _ cpu = 2 3 T 0 = 0,66 T 0 recent _ cpu = 0,66 (T 1 + 0,66 T 0 ) = 0,66 T 1 + 0,44 T 0 recent _ cpu = 0,66 T 2 + 0,44 T 1 + 0,30 T 0 recent _ cpu = 0,66 T 3 + 0,44 T 2 + 0, 30 T 1 + 0,20 T 0 recent _ cpu = 0,66 T 4 + 0,44 T 3 + 0,30 T 2 + 0,20 T 1 + 0,13 T 0 Nach fünf Berechnungen wird der CPU-Verbrauch vor 5 Sekunden fast vergessen

11 Lotterie-Scheduling - von Waldspurger und Weihl entwickelt - Der Grundgedanke ist hier, einem Prozess Lotterielose für verschiedene Ressourcen (zb CPU-Zeit) zu geben - Wer eine bestimmte Ressource bekommt, wird beim Ziehen eines Lotterieloses entschieden - Prozesse mit höherer Priorität bekommen Extra-Lose

12 Lotterie-Scheduling Interessante Eigenschaften Kooperierende Prozesse können Lose austauschen Ein gerade blockierter Client-Prozess kann seine Lose an den Server- Prozess abgeben Server-Prozesse brauchen keine Lose, wenn keine Client-Prozesse vorhanden sind Einige Probleme lassen sich einfacher als mit anderen Methoden lösen Alle Prozesse haben eine Mindestanzahl von Losen, so dass keiner verhungern kann

13 "Hybrid Lottery Scheduling" D Petroe, K Milford und G Gibson Kombination der Priorität-Klassen des BSD-Scheduling mit der Lottery-Scheduling Dynamische Anpassung der Lose mit Hilfe von Lose-Währungen Der Overhead ist größer und die Implementierung komplexer Literatur-Empfehlung: Implementing Lottery Scheduling: Matching the Specializations in Traditional Schedulers David Petrou, Kohn W Milford und Garth A Gibson 1999

14 Waldspurger and Weilhl, 1995 Stride-Scheduling deterministisches fair-share-scheduling Tickets anstatt Lotterie-Lose Viele Tickets bedeute mehr Recht auf CPU-Zeit Ressourcen werden direkt proportional zur Anzahl von Tickets zugeteilt zb Ein Prozess, der 10 Tickets hat, bekommt innerhalb einer bestimmten Zeitspanne doppelt so viel CPU-Zeit als einer, der nur 5 Tickets hat die Prozesse bekommen immer das gleiche CPU-Quantum ein Zeitintervall stride, das ein Prozess zwischen den CPU- Zuteilungen warten muss, wird berechnet

15 Einfaches Konzept Stride-Scheduling - CPU-Kapazitäten werden von Prozessen reserviert (Tickets) - Ein Ticket stell eine minimale CPU-Zeiteinheit dar - Jeder Prozess hat ein pass-wert, der dynamisch berechnet wird - Der pass-wert wächst umgekehrt proportional zu den reservierten CPU-Kapazitäten - Das Inkrement des pass-werts wird stride genannt stride Ti = stride1 tickets Ti Beispiel: stride1 = 20

16 Stride-Scheduling Beispiel: stride1 = 20 stride Ti = stride1 tickets Ti Am Anfang ist der pass-wert = 0 für alle Prozesse Der Scheduler wählt den Prozess mit dem kleinsten pass-wert

17 Stride-Scheduling Quantum A B C C C A C C A B C Was passiert, wenn neue Prozesse gestartet oder beendet werden? Ein pass-wert muss berechnet werden In dem System gibt es einen globalen pass-wert der aktualisiert wird, indem ein globaler stride-wert addiert wird global _ stride = stride 1 global _ tickets pass Tnew = global _ pass + stride Tnew

18 Stride-Scheduling Prozesse haben auch eine remain-komponente, die wie folgt berechnet wird: remain = pass Ti global _ pass Prozesse, die aus der Warteliste neu gestartet werden, müssen nur ihre remain-komponente zum globalen pass-wert addieren, um ihren eigenen pass-wert zu berechnen Wenn ein Prozess unterbrochen wird, wird ihr pass-wert mit folgender Formel berechnet pass Ti = pass Ti + time consumed time allocated stride Ti

19 Anfangszustand der Warteschlangen Stride-Scheduling pass HEAD 0 A B C Tickets n HEAD C B A B C C B C A C B C pass time 15 A

20 Früheres Linux-Scheduling Der O(1)-Scheduler - SMP (Symmetric Multiprocessing) - Prozessor Affinität - Lastverteilung - Unterstützung von interaktiven Threads Priorität - real-time-bereich nice-bereich Höhere Prioritäten Niedrige Prioritäten Quantum 200 ms 10 ms Höhere Prioritäten haben ein längeres Zeitquantum Niedrigere Prioritäten haben ein kürzeres Zeitquantum Echtzeit-Tasks bekommen immer eine feste Priorität Prozesse (Threads) im nice-bereich haben dynamische Prioritäten, die sich um ±5 verändern können

21 Linux-Scheduling (früher) Linux hatte zwei Listen nach Prioritäten sortiert Aktive Tasks [0] [1] [2] Ausgelaufene Tasks [0] [1] [2] [140] [140] Tasks, die unterbrochen werden, oder deren Quantum ausgelaufen ist, werden zum Array der ausgelaufenen Tasks geschickt und ihre Priorität wird neu berechnet Wenn die Liste der aktiven Tasks leer ist, werden beide Listen vertauscht

22 Completely Fair Scheduler Neuer Scheduler von Linux Alle Prozesse (mit verschiedenen Prioritäten), die im Bereit- Zustand sind, werden mit einem einzigen R/B-Baum verwaltet Jede CPU hat einen eigenen Scheduler mit einem eigenen R/B- Baum Die Prozesse werden in den Baum nach einer sogenannten virtuellen Zeit einsortiert, die vom Scheduler jedes Mal neu berechnet wird

23 Completely Fair Scheduler früher Prozesse Gewichte A B C Summe = 8 CPU Zeit 4/8 3/8 1/8

24 Completely Fair Scheduler Prozesse Gewichte A B C Summe = 8 CPU Zeit 4/8 3/8 1/8 100% 100% 100%

25 Completely Fair Scheduler Prozesse Gewichte A B C Summe = 8 CPU Zeit 4/8 3/8 1/

26 Completely Fair Scheduler struct sched_entity{ struct load_weight load; struct rb_node run_node; struct list_head group_node; } Nil Nil Nil Nil Nil Nil 29 Nil Nil Nil Nil O(log(n)) virtuelle Laufzeit braucht mehr CPU-Zeit braucht weniger CPU-Zeit

27 Multithreading-Architektur von Solaris Many-to-Many Thread-Modell

28 Thread-Scheduling Thread - Benutzer-Threads PCS - Kernel-Threads SCS PCS Process-contention scope SCS System-contention scope Thread-Modelle - one-to-one - many-to-one - many-to-many Prozess-Thread Threads werden auf sogenannte LWP Prozesse innerhalb des Kernels abgebildet In dem SCS-Scheduling konkurrieren alle Threads des Systems für die CPU-Zeit Kernel-Thread

29 Zwei Start-Attribute: Pthread-Scheduling PTHREAD_SCOPE_PROCESS PTHREAD_SCOPE_SYSTEM Scheduling in PCS Scheduling in SCS Linux und Mac OS X erlauben nur PTHREAD_SCOPE_SYSTEM Berücksichtigte Threads Zustellungs-Bereich Scheduling in SCS

30 PThread-Scheduling Berücksichtigte Threads innerhalb von Prozessen Berücksichtigte Threads zwischen Prozessen Scheduling in PCS pthread_attr_setscope(pthread_attr_t *attr, int scope); pthread_attr_getscope(pthread_attr_t *attr, int *scope);

31 Mehrfach-Prozessor Scheduling - Durch moderne Rechnerarchitekturen mit mehreren Prozessoren wird das Scheduling-Problem komplexer - Wir konzentrieren uns auf Systeme mit gleichartigen parallelen Prozessoren Asymmetrische - ein CPU (Master Server) für Systemaktivitäten und Mehrfach-Prozessor Scheduling - Ein-/Ausgabe-Aktivitäten - andere Prozessoren nur für Benutzerprozesse Symmetrische (SMP) - Die Prozessoren werden selber verplant oder jeder Prozessor hat seine eigene Scheduling- Warteschlange

32 Mehrfach-Prozessor Scheduling Kriterien für die CPU-Zuteilung Affinität Processor Affinity Lastverteilung Load Balancing Hart Weich Prozesse (Threads) können nur auf bestimmten Prozessoren laufen Prozesse (Threads) werden bevorzugt auf den Prozessoren laufen, wo sie zuletzt gelaufen sind push migration Ein Task prüft periodisch die Prozessorlast und teilt die Prozesse neu auf pull migration Ein unbelasteter Prozessor holt sich selber einen Prozess

33 Direkte Kosten: Kontext-Wechsel - Speichern und Laden von Registern - Adressraum-Wechsel Indirekte Kosten: CPU-cache, File-/Page-cache und TLB-misses T 1 T 2 CPU Cache Ersetzung- Overhead File/Page Cache

34 Multicore-Prozessor Scheduling Probleme: Memory stall Prozessoren warten häufig mehr als 50% der Zeit auf Speicher-Zugriffe Memory stall cycle Compute cycle M C Thread1 Thread0 C M C M C M C M C M C M C M C M Multithreaded multicore system Zeit Lösungen: - coarse-grained-multithreading - fine-grained-multithreading

35 Solaris Scheduling Das Solaris-Betriebssystem hat: - Unterstützung von Threads auf Benutzer- und Kernel-Ebene - Symmetrisches Multithreading - Echtzeit-Scheduling Solaris hat einen Scheduler mit Prioritäten und sechs Scheduling- Klassen 6 Fix Priority (FP) 5 Fair share (FSS) 4 Real Time (RT) 3 System (SYS) 2 Interactive (IA) 1 Time sharing (FP) Innerhalb jeder Klasse werden verschiedene Prioritäten und verschiedene Algorithmen verwendet

36 Solaris Scheduling-Tabelle für time-sharing und interaktive Threads Die Prioritäten werden umgekehrt proportional zum Quantum vergeben 60 Prioritätsebenen neue Prioritäten Bildquelle: Silverschatz

37 Globale Priorität Solaris Scheduling Scheduling-Reihenfolge höchste Interrupt-Threads erste Real-Threads System-Threads niedrigste Fair share-threads Fixed priority-threads Timeshare-Threads Interactive-Threads letzte Die Default-Klasse ist "time sharing"

38 Solaris Scheduling Globale Prioritäten Scheduling Reihenfolge Scheduling Klassen Ausführungs- Warteschlangen Höchste Erste Echtzeit Max 0 Kernel Echtzeit LWPs System Kernel Dienst- Threads RR-Scheduling Niedrigste Letzte Interaktiv Time sharing Max 0 LWPs

39 Windows Vista Scheduling - kein zentraler Thread für das Scheduling - Wenn ein Thread nicht mehr weiter laufen kann, wechselt er selbst in den Kernmodus und ruft den Scheduler auf Grund? -Das Quantum ist abgelaufen -Der Thread wird blockiert -Der Thread schickt ein Signal an ein Objekt Systemaufrufe: SetPriorityClass Setzt die Prioritäten aller Threads eines Prozesses SetThreadPriority Legt die relative Priorität eines Threads bezüglich der Prioritätsklasse seines Prozesses fest

40 Windows Vista Scheduling Win32 API Prioritätsklassen: REALTIME_PRIORITY HIGH_PRIORITY ABOVE_NORMAL_PRIORITY NORMAL_PRIORITY BELOW_NORMAL_PRIORITY IDLE_NORMAL_PRIORITY feste Prioritäten variable Prioritäten Vordergrund- / Hintergrund- Prozesse Relative Prioritäten innerhalb der Prioritätsklassen - TIME_CRITICAL - HIGHEST - ABOVE_NORMAL - NORMAL - BELOW_NORMAL - LOWEST - IDLE

41 Windows Vista Prioritäten Default Anfangsprioritäten Prioritätsklassen relative Prioritäten Bildquelle: Silverschatz

42 Windows Vista Prioritäten - Insgesamt 32 Prioritäten (0-31) - Das Scheduling-System verwaltet ein Array mit 32 Thread-Listen sind Benutzer-Prioritäten sind System-Prioritäten Anhebung von Prioritäten - Wenn I/O- Operationen beendet werden 1 Festplatte 2 eine serielle Verbindung 6 Tastatur 8 Soundkarte - Wenn ein Prozess auf Semaphore, Mutexe oder andere Ereignisse gerade gewartet hat ( 1-2 Stufen )

43 Windows Vista Prioritäten Prioritäten werden kleiner - Wenn ein Thread sein Quantum beendet (1 Stufe) Weitere Veränderungen Das Scheduling-System verfolgt, wieviel Zeit vergangen ist, seit ein rechenbereiter Thread zuletzt gelaufen ist Nachdem ein bestimmter Schwellenwert erreicht worden ist, wird seine Priorität um zwei Quanten erhöht, auf maximal 15 Prozesse, die in den Vordergrund gestellt werden, bekommen automatisch eine höhere Priorität

44 Java - Scheduling Ein Java-Thread kann nur unterbrochen werden wenn: - sein Quantum abgelaufen ist - weil der Thread auf eine Ein-/Ausgabeoperation wartet - seine run-methode zu Ende ausgeführt wurde Die yield-methode kann einen Thread unterbrechen, auch wenn sein Zeitquantum noch nicht abgelaufen ist Java-Threads haben eine Priorität von 0 bis 10 Die 0-Priorität kann nur direkt von der JVM vergeben werden

45 Java - Scheduling Folgende Prioritätskonstanten sind definiert ThreadMIN_PRIORITY 1 ThreadMAX_PRIORITY 10 ThreadNORM_PRIORITY 5 Je nachdem in welchem Betriebssystem die JVM läuft, haben Threads mit gleicher Priorität verschiedene Verhalten Prioritäten in Java-Threads können mit Hilfe der setpriority- Methode verändert werden

46 Systemaufrufe für Scheduling Linux Systemaufruf Beschreibung nice( ) getpriority( ) Change the priority of a conventional process Get the maximum priority of a group of conventional processes setpriority( ) sched_getscheduler( ) sched_setscheduler( ) processsched_getparam( ) processsched_setparam( ) sched_yield( ) sched_get_ priority_min( ) sched_get_ priority_max( ) sched_rr_get_interval( ) Set the priority of a group of conventional processes Get the scheduling policy of a process Set the scheduling policy and priority of a Get the scheduling priority of a Set the priority of a process Relinquish the processor voluntarily without blocking Get the minimum priority value for a policy Get the maximum priority value for a policy Get the time quantum value for the Round Robin policy

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