Betriebssysteme I WS 2016/17. Prof. Dr. Dirk Müller. 11 Scheduling

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1 Betriebssysteme I 11 Scheduling WS 2016/17 Prof. Dr. Dirk Müller

2 WS 2016/17 2/34 Einführung Begriff und Zielgrößen Offline-/Online-Verfahren Überblick zeit- und ereignisgesteuertes Scheduling kooperatives vs. präemptives Multitasking Round Robin, FIFO, Shortest Job Next Priority Boost Zusammenfassung

3 WS 2016/17 3/34 Begriff dt. Begriff in etwa Zeitplanerstellung Betriebswirtschaft Ablaufplanung, auch: Maschinenbelegungplanung Informatik Befehls-Scheduling Prozessorzuteilung (CPUs) Festplatten-Scheduler Transaktionsscheduler Rechnerarchitektur Betriebssysteme II Datenbanksysteme Beantwortung der Frage(n) Welche Aktivität soll zu einem bestimmten Zeitpunkt abgearbeitet werden und für wie lange? auf Multicore-/Multiprozessorsystemen und GPUs zusätzlich: Wo soll diese Aktivität ausgeführt werden? Komponente im BS: Scheduler (Planer) Prozess- oder CPU-Scheduling Verfahren zur Ermittlung eines Zeitplans (Schedule)

4 Typische Zielgrößen abhängig von Art des Systems: Stapelverarbeitungs-, interaktives, Echtzeitsystem? Fairness: Alle Prozesse sind gleich. Quality-of-Service: Jeder bekommt so viel, wie er bezahlt hat. Ausschluss des Verhungerns eines Prozesses Durchsatz (throughput) max. Verweilzeit (turnaround time) min. Effizienz: Ressourcen werden möglichst vollständig genutzt. max. Reaktionszeit min. ggf. Garantie einer max. Reaktionszeit Proportionalität Termineinhaltung: Einhaltung von Deadlines harte und weiche Echtzeit Dirk Müller: Betriebssysteme I WS 2016/17 4/34

5 WS 2016/17 5/34 Planung anderer Ressourcen Optional können weitere Ressourcennutzungen zusätzlich mit geplant werden. Hauptspeicher Massenspeicher (Festplatten, SSDs, etc.) Kommunikationsbandbreite Interrupts etc. z. B. I/O-Scheduler in Linux, der Festplatten- und SSD- Zugriffe plant, also ggf. umsortiert

6 WS 2016/17 6/34 Schedulingebenen in einem Stapelverarbeitungssystem Arriving job CPU CPU Scheduler RAM Disk Admission Scheduler Memory Scheduler

7 WS 2016/17 7/34 Offline-Verfahren vollständiger Schedule vor Laufzeit des Systems ermittelt zur Laufzeit Abarbeitung dieses Plans keine Entscheidungen mehr nötig keine Änderungen mehr möglich=> nicht flexibel sehr hohe Auslastung von Ressourcen möglich Zielgröße Effizienz gut unterstützt Alle Parameter wie Startzeitpunkte, Ausführungszeiten, Abhängigkeiten aller Aktivitäten, etc. müssen a priori bekannt sein. z. B. bei autonomen oder Echtzeitsystemen situationsspezifische Pläne möglich, System mit mehreren Modi, dann besondere Sorgfalt bei Moduswechseln nötig

8 WS 2016/17 8/34 Online-Verfahren Auswahl der als Nächstes auszuführenden Aktivität zur Laufzeit flexibel: Anpassung an veränderte Parameter stets möglich Entscheidung in Echtzeit (im Sinne von zur Laufzeit ) keine komplexen Algorithmen möglich Kompromiss zwischen Güte der Auswahl und Dauer der Entscheidung nötig Typische interaktive BS wie Linux und Windows planen online.

9 Offline-Scheduling: Beispiel Ein Rechensystem bestehe aus drei Prozessen, die wiederum aus den folgenden (zunächst) unabhängigen Teilprozessen bestehen (Rechenzeit in Klammern). P 1 : p 11 (3), p 12 (2), p 13 (2), p 14 (5) P 2 : p 21 (5), p 22 (7) P 3 : p 31 (5), p 32 (2) Außerdem bestehen die folgenden expliziten zeitlichen Abhängigkeiten zwischen den Teilprozessen: p 21 vor p 12, p 12 vor p 22, p 13 vor p 31, p 14 vor p 32, p 22 vor p 32. Darüber hinaus müssen die Teilprozesse ein- und desselben Prozesses in der jeweils angegebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Dirk Müller: Betriebssysteme I WS 2016/17 9/34

10 WS 2016/17 10/34 Präzedenzgraph Idee: Reihenfolgebeschränkungen (Präzedenzen) im Präzedenzgraph veranschaulichen ein Knoten für jeden Teilprozess; Ausführungszeit als Gewicht Kanten zwischen zwei Knoten gdw. Teilprozess des Startknotens muss beendet sein, bevor der Teilprozess des Zielknotens gestartet werden darf p 11 p 5 14 p 13 3 p p 31 p p 21 p 22

11 WS 2016/17 11/34 do Ableitung eines Schedules (offline) 1. Bildung einer Bereit-Menge B, die alle Prozesse enthält, die abgearbeitet werden können 2. Auswahl von (höchstens) n Prozessen aus B nach einem vorgegebenem Sortierkriterium (z. B. kürzester Prozess zuerst ), wobei n Anzahl der Kerne/Prozessoren 3. Planung der ausgewählten Prozesse für eine bestimmte Zeitspanne (Standard: für eine Zeiteinheit) while (noch nicht alle Prozesse geplant)

12 WS 2016/17 12/34 Anwendung auf das Beispiel n=2, also z. B. ein Dualcore-Prozessor, core0 und core1 Auswahl des jeweils kürzesten Prozesses (Shortest Job Next) Abarbeitung ohne Unterbrechung, falls einmal gestartet (Run-to-Completion) Zeit B Auswahl 0 p 11, p 21 p 11, p 21 3 (p 21 ) (p 21 ) 5 p 12 p 12 7 p 13, p 22 p 13, p 22 9 p 14, p 31 p p 31 p p 32 p 32

13 WS 2016/17 13/34 Resultierender Schedule core0 core1 p 11 p 12 p 21 p 22 p 13 p 14 p 31 p t Darstellungsform: Gantt-Diagramm benannt nach Henry L. Gantt Harmonogramm bereits früher durch Karol Adamiecki beschrieben Komplettierung der Jobmenge nach 21 Zeiteinheiten Cores nicht voll ausgelastet Schedule enthält Idle-Time (Leerlaufzeit) Ursache: Abhängigkeiten zwischen Teilprozessen

14 WS 2016/17 14/34 Zeitgesteuertes Scheduling alle Abläufe im System erfolgen in festem zeitlichen Rahmen, periodisch keine Interrupts keine unvorhergesehenen Aktivitäten Kommunikation mit externen Komponenten: Abfragen (Polling) typisch für autonome und Echtzeitsysteme Nutzung von offline ermittelten Schedules, zwischen denen umgeschaltet werden kann (Moduswechsel) Beispiel: Medienzugriffsverfahren Time Division Multiple Access (TDMA)

15 WS 2016/17 15/34 Time Division Multiple Access Übertragungszeit in Perioden unterteilt 1/n der Periodenlänge für jeden potenziellen Teilnehmer, aka Slot jeder Teilnehmer kann in seinem Slot senden, muss es aber nicht (Reservierung) Kollisionen somit ausgeschlossen aber: Verschwendung durch ungenutzte Reservierungen Teilnehmer sendet nicht Slot t Periode

16 WS 2016/17 16/34 Ereignisgesteuertes Scheduling System reagiert auf Einflüsse von außen (Interrupts) Aktivitäten werden als Reaktion auf Interrupts bereit prinzipiell keine Garantie von Ausführungszeiten möglich, da Auftrittszeitpunkte von Interrupts nicht vorhersehbar typisch für interaktive Systeme z. B.: grafische Benutzeroberflächen Ereignisse: Mausbewegung, Klick, Tastendruck, aber auch Interrupt durch die Netzwerkkarte

17 WS 2016/17 17/34 Interrupt Interrupts asynchron zum Programmablauf Quellen: Geräte (I/O), Programm, Betriebssystem können meist vorübergehend ausgeschaltet (maskiert) werden, Ausnahme: NMIs

18 WS 2016/17 18/34 Interrupt: Ablauf in der CPU auf modernen Architekturen mit Pipelines und Superskalarität Interrupt-Behandlung viel komplizierter als früher

19 WS 2016/17 19/34 Schedulingzeitpunkt beim Online-Scheduling Unterbrechung eines Prozesses durch das BS, (prinzipiell) jederzeit (präemptives Multitasking) wenn ein Prozess blockiert (z. B. an Ressource), wenn ein Prozess bereit wird (z. B. als Reaktion auf einen Interrupt oder durch eine Ressourcenfreigabe), wenn ein Prozess endet. durch das BS, jedoch nur an bestimmten Stellen, sogenannten Preemption Points freiwillig, an bestimmten Stellen, z. B. Systemruf (kooperatives Multitasking) nach Komplettierung einer Aktivität (Run-to-Completion)

20 WS 2016/17 20/34 Prioritäten und Priorisierung (gewollt) unfair, Prozesse besitzen unterschiedliche Wichtigkeit einfachste Möglichkeit: Fixed External Priorities (FEP) jeder Prozess erhält vor der Laufzeit des Systems einen Parameter fest zugeordnet, der seine Wichtigkeit (Kritikalität) ausdrückt wird statisch als Priorität für den gesamten Prozess übernommen zur Laufzeit wird stets der höchst priorisierte unter allen bereiten Prozessen ausgewählt allgemeiner: bei n Prozessoren/Kernen die n höchst priorisierten

21 WS 2016/17 21/34 Implizite Prioritäten bestimmter Parameter (oder Kombination aus mehreren Parametern) jedes Prozesses wird zweckentfremdend als Priorität verwendet Beispiele Länge des Jobs verbleibende Abarbeitungszeit Zeit seit letzter Aktivierung Deadline (Termin, zu welchem der Job beendet sein muss) Laxity (Spielraum zwischen verbleibender Abarbeitungszeit und Zeit bis zur Deadline)

22 WS 2016/17 22/34 Statische und dynamische Prioritäten statisch: Priorität konstant über gesamte Lebensdauer einfacher Scheduler gut analysierbar nicht flexibel (Prozess könnte durch externe Umstände wichtiger oder unwichtiger werden) dynamisch: Priorität veränderlich häufige Neuberechnung (z. B. periodisch oder zu den Schedulingzeitpunkten) flexibel, Anpassung an veränderte Situation möglich komplizierter zu analysieren

23 WS 2016/17 23/34 Ein- und Mehrprozessorscheduling 3. Frage Wo ausführen? wird relevant bei mehreren Kernen oder Prozessoren Ziel: Load Balancing zu starr: möglicherweise schlechte Ausnutzung der Prozessoren zu flexibel: häufiger Wechsel des Prozessors (Thrashing) sehr hoher Overhead ideal: auf einem unbeschäftigten Prozessor fortsetzen günstig: Prozessor, auf dem der Prozess unterbrochen wurde (Cache, TLB) zur Fortsetzung nutzen Parameter Affinität des Prozesses zu einem bestimmten Prozessor

24 Zeitscheibenverfahren, RR Round Robin Idee: Jeder Prozess erhält Prozessor für eine bestimmte Zeitspanne (Quantum t q ), dann nächster Grundgedanke: Fairness t q klein Umschaltaufwand im Verhältnis zur Nutzarbeit groß, kleine Reaktionszeit pro Prozess t q groß relativer Umschaltaufwand klein, Reaktionszeit pro Prozess groß wichtig: Umschaltzeit t cs (Context Switch Time) Reaktionszeit eines Prozesses abhängig von t cs, aktueller Anzahl der Prozesse n(t) und von t q häufig als Tie-Breaker bei gleicher Priorität eingesetzt Dirk Müller: Betriebssysteme I WS 2016/17 24/34

25 Round Robin: Veranschaulichung Dirk Müller: Betriebssysteme I WS 2016/17 25/34

26 WS 2016/17 26/34 FCFS und SJN First In First Out, First Come First Served (FIFO, FCFS) Prozesse werden in der Reihenfolge ihres Eintreffens vollständig abgearbeitet fair leicht zu analysieren (Warteschlangentheorie) Shortest Job Next (SJN) Idee: schnell ein paar kurze Jobs fertigstellen, bevor alle auf einen langen Job warten müssen Prozess mit der kürzesten Dauer wird ausgewählt, dann Run-to- Completion Ausführungszeit muss bekannt sein minimiert mittlere Verweilzeit t V und mittlere Wartezeit ungerecht, Verhungern möglich t W

27 WS 2016/17 27/34 SJN-Beispiel Jobmenge bestehe aus 4 Jobs mit den Parametern in der Tabelle Job J 1 6 Ausführungszeit J 2 8 J 3 7 SJN-Schedule J 4 3 J 4 J 1 J 3 J t durchschnittliche Wartezeit t W = =7 4 durchschnittliche Verweilzeit t V = =13 4

28 WS 2016/17 28/34 UNIX zeitscheibengesteuert (Quantum) versucht, zwei Klassen von Prozessen zu unterscheiden und getrennt zu behandeln: interaktive ( I/O-bound ) (vorwiegend) rechnende ( compute-bound ) Rechnende Prozesse nutzen Zeitscheibe nahezu voll aus. Interaktive Prozesse nutzen ihre Zeitscheibe häufig nicht aus, warten auf Interaktion mit dem Nutzer oder einem Gerät, d. h. blockieren häufig. wenn Zeitscheibe nicht ausgenutzt, wird Priorität (leicht) erhöht UNIX bevorzugt interaktive Prozesse: interaktive Prozesse mit besserer Reaktion rechnende Prozesse etwas benachteiligt

29 WS 2016/17 29/34 Linux dynamische Prioritäten mit Zeitscheiben Prioriät mittels nice bzw. renice anpassbar (-20 bis +19) seit Kernel 2.6 präemptiver Kernel, O(1)-Scheduler vorher nur Nutzerprozesse präemptiv durch Heuristiken geschätzt, ob ein Prozess interaktiv ist und damit eine kurze Reaktionszeit haben sollte seit Kernel (Okt 2007) Completely Fair Scheduler (CFS) bessere Skalierbarkeit auf Server mit vielen Prozessorkernen Taskgruppen erhöhen Fairness Multiple Queue Skiplist Scheduler (MuQSS), älterer (provokativer) Name Brain Fuck Scheduler (BFS) ab 2009 Schwerpunkt auf Desktop-Interaktivität möchte gern CFS im Hauptentwicklungszweig ablösen

30 WS 2016/17 30/34 Windows 2000/XP/Vista 31 System-Prioritäten Echtzeit prioritätsgesteuert präemptiv kein zentraler Scheduling-Thread Benutzer-Prioritäten variabel 1 Quelle: [Tan2016], 0 Zero-Page-Thread S ff. Leerlauf-Thread

31 WS 2016/17 31/34 Windows 2000/XP/Vista Round Robin bei Threads gleicher Priorität Länge des Quantums abhängig von Windows-Variante Desktop: 20 ms Server: 180 ms Quantum wird für Vordergrundthreads verdoppelt temporäre Prioritätsanhebung (Priority Boost) in den Levels 1-15 u. a. bei Komplettierung einer I/O-Operation Fensterthreads, die in den Vordergrund gelangen Gefahr des Verhungerns Quelle: [1], S. 870 ff.

32 Priority Boost unter Windows Dirk Müller: Betriebssysteme I WS 2016/17 32/34

33 WS 2016/17 33/34 Zusammenfassung Prozess- oder CPU-Scheduling: Welche Aktivität wird für wie lange wo ausgeführt? Zielgrößen abhängig vom System (Stapelverabeitungs-, interaktives oder Echtzeitsystem) Offline- vs. Online-Scheduling zeitgesteuertes vs. ereignisgesteuertes Scheduling kooperatives vs. präemptives Multitasking Round Robin (RR): Einfluss der Länge des Quantums FIFO und SJN Priority Boost

34 WS 2016/17 34/34 Literatur [1] Andrew S. Tanenbaum: Modern Operating Systems, Pearson Education International, 2009