Hausübung 2(Musterlösung)

SoSe 2014 Konzepte und Methoden der Systemsoftware Universität Paderborn Fachgebiet Rechnernetze Hausübung 2(Musterlösung) 2014-05-12 bis 2014-05-23 Hausübungsabgabe: Format: Lösungen in schriftlicher oder gedruckter Form abgeben. Quelltext wird digital abgegeben, siehe separate Beschreibung am Ende es Übungszettels. Ort: Lösung in markiertem Kasten in D3 Flur einwerfen. Uhrzeit: Annahme der Abgaben bis Montag, 2014-05-26, 08:00 Uhr (s.t.) Gruppen: Geben Sie Ihre Namen, Matrikelnummern und ggf. IMT-eMail-Addressen auf der Lösung an. Maximal 4 Personen pro Lösung. Eindeutig: Geben Sie höchstens eine Lösung zu einer Aufgabe ab. Aufgabe 1: Einfache Schedulingstrategien (a) Beschreiben Sie kurz die folgenden Zielmetriken von Schedulingstrategien: (4 P) 1. Maximale Antwortzeit Die Antwortzeit ist die Zeit zwischen dem Zeitpunkt des Eintreffens des Jobs bis zum Zeitpunkt des abgearbeiten Jobs. Die maximale Antwortzeit ist die höchste vorkommende Antwortzeit. Z.B. wenn Bürger auf dem Amt eine Kundennummer ziehen, warten, mit der Kundennummer aufgerufen werden, dann erst Ihr Anliegen bearbeitet wird und Sie schließlich fertig sind, ist die Antwortzeit die Zeit zwischen Nummerziehen und Fertig-sein. Jeder Bürger der sehr lange warten muss, könnte sehr verärgert sein. maximale Antwortzeit minimieren. 2. Mittleren Antwortzeit Die mittlere Antwortzeit ist die durchschnittliche Antwortzeit aller Jobs mittl. Antwortzeit = Antwortzeiten #Jobs Versucht man die mittlere Antwortzeit der Bürger zu minimieren, können sehr schnell abgefertigte Bürger länger wartende Bürger positiv ausgleichen. 3. Länge des Ablaufplans Die Länge des Ablaufplans ist die Dauer zwischen Startzeitpunkt des ersten Jobs bis zum Endzeitpunkt des letzten Jobs; dies ist damit auch die Dauer der Resourcenbenutzung. Z.B. wie lange die Beamten arbeiten müssen bis alle Bürger abgearbeitet worden sind. Im Allgemeinen führt eine kürzere Betriebsdauer (der Ressoucen/Beamten) zu Geld-, Stromersparnis, etc. 71 P KMS SoSe 2014 Hausübung 2(Musterlösung) 1/11

4. Durchsatz Der Durchsatz ist die Anzahl Jobs pro Zeiteinheit. Durchsatz = Anzahl Jobs Länge des Ablaufplans Z.B. wie viele Bürger pro Stunden abgearbeitet werden. Im Allgemeinen kann der Durchsatz ein Kennzahl für Leistungsfähigkeit eines Systems sein. (b) In dieser Aufgabe sollen Sie Schedulingstrategien praktisch anwenden und Zielmetriken ausrechnen. Zur Vereinfachung betrachten Sie in dieser Aufgabe nur einfache Schedulingstrategien mit folgenden Eigenschaften: Keine Sollzeitpunkte (Deadlines) Zunächst ohne Verdrängung Unabhängige Jobs Jobs blockieren nicht Dynamische Jobmenge, Online-Scheduling Ein Betriebsmittel zur Abarbeitung des Jobs Jobwechselzeit von einer Zeiteinheit Folgende Tabelle beschreibt Jobs, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten eintreffen. (28 P) Job Ankunftzeitpunkt Abarbeitungsdauer j1 0 10 j2 4 6 j3 6 2 j4 9 14 j5 13 2 Für jede Strategie müssen folgende Teilaufgaben erfüllt werden: 1. Tragen Sie den Job-Schedule zu dieser Strategie in ein Gantt-Diagramm ein. Hinweis: Markieren Sie deutlich, welcher Job in welchem Zeitslot ausgeführt wird. 2. Berechnen Sie die Antwortzeiten für die einzelnen Jobs, die maximale und mittlere Antwortzeiten aller Jobs. 3. Tragen Sie die Länge des Ablaufplans ein und berechnen Sie den Durchsatz. KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 2/11

First Come First Serve - Strategie. j1 j2 j3 j4 j5 max. Az. mittlere Az. Länge Durchsatz Shortest Job Next - Strategie. j1 j2 j3 j4 j5 max. Az. mittlere Az. Länge Durchsatz Round Robin - Strategie mit fixer Zeitscheibe von 5 Zeiteinheiten. j1 j2 j3 j4 j5 max. Az. mittlere Az. Länge Durchsatz KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 3/11

Round Robin - Strategie mit fixer Zeitscheibe von 1 Zeiteinheit. j1 j2 j3 j4 j5 max. Az. mittlere Az. Länge Durchsatz (c) Strategien sind darauf ausgelegt, wenigstens eine Zielmetrik zu verbessern. Ordnen Sie (6 P) den unten stehenden Zielmetriken jene einfache Strategie (nicht verdrängend, ohne Deadline- Berücksichtigung) zu, welche die Zielmetrik besser umsetzt als andere Strategien. Begründen Sie kurz Ihre Zuordnung. Zielmetriken: 1. Maximierung des Durchsatzes Durchsatz Maximierung Ablaufplanlänge Minimierung Reduktion der Jobwechsel Strategie: First Come First Serve 2. Minimierung der Mittlere Antwortzeit Antwortzeit = Wartezeit + Bearbeitungszeit; Antwortzeit Minimierung Wartezeit Minimierung Anzahl wartender Jobs Minimieren Kurzlaufende Jobs schnell bevorzugt abarbeiten Shortest Job Next (d) Die Strategie Shortest Job Next (SJN) hat eine Schwäche, welche die Highest Response (5 P) Ratio Next (HRRN) Strategie behebt. Beschreiben Sie, was bei SJN passiert und warum es im gleichen Fall bei HRRN nicht passiert. Jobs können bei SJN im Gegensatz zu HRRN verhungern. Damit ist gemeint, dass Jobs unter bestimmten Umständen erstmal nicht mehr ausgeführt werden. Bei SJN kann ein Job verhungern, wenn vor seiner Ausführung eine Reihe von kürzer laufenden Jobs eintrifft und diese Jobs dann bevorzugt ausgeführt werden. Bei der Auswahl des nächsten Jobs berücksichtigt HRRN die Wartezeit der Jobs, so dass Jobs, die lange genug warten, bei der Ausführung den kürzer laufenden Jobs bevorzugt werden. Damit können Jobs nicht mehr verhungern. (e) Überlegen Sie, wie die Zeitscheibe von Round Robin die Zielmetriken beeinflusst. Mit (3 P) welcher Zeitscheibe würde für die obigen Jobs der Durchsatz maximiert werden? Mit einer Zeitscheibe t 14, damit hat man das FCFS Verhalten und eine minimale Anzahl von Jobwechseln. KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 4/11

(f) Die Zeitscheiben können auch adaptiv gewählt werden: (10 P) Ein neuer Job, bekommt die Zeitscheibe t=2 zugeordnet. Ist dieser einmal gelaufen, verdoppelt sich die Zeitscheibe für seine nächste Ausführung. Es werden Jobs mit einer kleinen Zeitscheibe den Jobs mit einer Größeren bevorzugt. Zeichnen Sie den Schedule in das Gantt-Diagramm und berechnen Sie die Zielmetriken wie in Aufgabenteil b): Round Robin mit adaptiver Zeitscheibe Az. j1 Az. j2 Az. j3 Az. j4 Az. j5 max. Az. mittlere Az. Länge Durchsatz (g) Zeichnen Sie den Schedule für die Shortest Remaining Time Next(SRTN)-Strategie ein (7 P) und berechnen Sie die Zielmetriken wie in Aufgabenteil b): Shortest Remaining Time Next-Strategie Der SRTN Ablaufplan finden Sie unter FCFS. Az. j1 Az. j2 Az. j3 Az. j4 Az. j5 max. Az. mittlere Az. Länge Durchsatz (h) Vergleichen Sie Ihre Ergebnisse von SRTN mit den Ergebnissen von SJN. Welche Zielmetriken aus (a) haben sich verbessert und verschlechtert? Beschreiben Sie, woran das (6 P) liegt. SJN SRTN max. bzw. mittlere Antwortzeit besser schlechter Länge und Durchsatz besser schlechter Im Allgemeinen sorgt das Verdrängen von Jobs mit hohen Restabarbeitungszeiten durch Kurzläufer dafür, dass die mittlere Antwortzeit verringert/verbessert wird. Dies muss aber nicht immer der Fall sein, wie das konkrete Beispiel zeigt. Die zusätzlichen Jobwechsel der Verdrängungen verschlechtern den Durchsatz. (i) Erklären Sie kurz, welchen Vorteil Sie haben, wenn laufende Jobs verdrängt werden (2 P) können? Aktuell laufende Jobs können durch sinnvollere Jobs verdrängt werden. Sinnvoll ist ein Maß in Abhängigkeit der Zielmetrik, z.b. kurze Bearbeitungszeit bevorzugen, um Antwortzeiten zu minimieren. KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 5/11

Aufgabe 2: Deadline Scheduling Zur Vereinfachung betrachten Sie in dieser Aufgabe folgende System-Eigenschaften: Unabhängige Jobs Jobs blockieren nicht Jobs haben Sollzeitpunkte Dynamische Jobmenge, Online-Scheduling Ein Betriebsmittel zur Abarbeitung der Jobs Jobwechselzeit von einer Zeiteinheit (a) Beschreiben Sie kurz die maximale Verspätung eines Schedules mit Sollzeitpunkten. (1 P) Die Verspätung ist die Zeit zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Job eigentlich fertig sein sollte (Sollzeitpunkt), und dem Zeitpunkt, an dem der Job tatsächlich fertig war. Die maximale Verspätung ist die längste Verspätung aller Jobs. (b) Gegeben sind folgende Jobs: Job Ankunftzeitpunkt Abarbeitungsdauer Sollzeitpunkt Spielraum (Laxity) j1 0 10 13 3 = 13 10 j2 4 6 12 2 = 12 10 j3 6 2 10 2 = 10 8 j4 9 14 40 17 = 40 23 j5 13 2 15 0 = 15 15 47 P (*) Abarbeitungsdauer von n fängt in Zeitslot a, z.b. 0, an und der Endzeitpunkt ist e = a + n. Der Sollzeitpunkt d beschreibt, dass der Job bis spätestens d 1 fertig sein muss. i. Füllen Sie die Spalte Spielraum für jeden Job separat aus. Gehen Sie davon aus, (5 P) dass der tatsächliche Startzeitpunkt der Ankunftszeitpunkt des Jobs ist. ii. Berechnen Sie den Ablaufplan für drei Scheduling-Strategien. Errechnen Sie zusätzlich die Verspätungen der Jobs. (21 P) KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 6/11

Earliest Due Date-Strategie Verspätung (V): j1 j2 j3 j4 j5 max. Verspätung Earliest Deadline First-Strategie Verspätung (V): j1 j2 j3 j4 j5 max. V. Neue Least Laxity First-Strategie: Für den nächsten Zeitschlitz wird der Job ausgewählt, der aktuell den geringsten Spielraum hat. Jobs werden auch unterbrochen, wenn ein anderer Job einen geringeren Spielraum hat. Verspätung (V): V. j1 V. j2 V. j3 V. j4 V. j5 max. V. KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 7/11

(c) Earliest Due Date(EDD) und minimale Maximale Verspätung: Die maximale Verspätung eines EDD-Schedules ist minimal für ein Betriebsmittel. Warum ist diese Aussage richtig? Idee: Versuchen Sie Jobs eines nicht EDD-Schedules S zu tauschen: Wie verändert sich L max?. Notation: J i Job i e i tatsächlicher Endzeitpunkt des Jobs i d i Sollzeitpunkt des Jobs i L i Verspätung von Job i S Schedule S L max (S) max. Verspätung von S S, L i bezieht sich auf den veränderten Schedule i. Wie berechnet sich: (1 P) 1. L i = e i d i 2. L max (S) = max i {L i } ii. Für ein nicht-edd-schedule gilt: J i, J j, d i < d j : J j wird vor J i abgearbeitet. (2 P) Erklären Sie kurz, warum dies gilt? Ein EDD-Schedule sortiert Jobs gemäß der Deadline-Reihenfolge. Ein nicht-edd- Schedule hat mindestens ein Jobpaar das nicht in Sortierreihenfolge steht: e j < e i d i < d j iii. Nun vertauschen wir die beiden Jobs J i, J j und bekommen einen neuen Schedule S: (6 P) S J 0... J j J i... J n S J 0... J i J j... J n e j ẽ i e i d i d j = ẽ j 1. Berechnen Sie max{l i, L j } (vor der Vertauschung). Hinweis: Bedingung von J i, J j Da J j vor J i ausgeführt wird, ist e j < e i. Mit d i < d j gilt, ist L i = e i d i = max{l i, L j } 2. Berechnen Sie L i, L j und setzen Sie es ins Verhältnis zu L i (nach der Vertauschung): L i = ẽ i d i < e i d i = L i L j = ẽ j d j = e i d j < e i d i = L i iv. Setzen Sie (3 P) 1. max{l i, L j } mit max{ L i, L j } max{ L i, L j } < L i = max{l i, L j } da L i < L i L j < L i 2. L max (S) mit L max ( S) L max (S) = max{l 0,..., L i, L j,... } case a: L max (S) {L i, L j } L max ( S) < L max (S) KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 8/11

case b: L max (S) {L i, L j } L max ( S) = L max (S) L max ( S) L max (S) ins Verhältnis. v. Mit solchen Vertauschungen kann jeder nicht-edd-schedule in einen EDD-Schedule überführt werden, ohne die maximale Verspätung zu vergrößern. Begründen Sie dies kurz! (2 P) Die nicht in Sollzeitpunkt-Reihenfolge -Bedingung (aus ii) gibt jene unsortierte Jobs. Das sortieren aller Jobs führt eventuell zu einer Verbesserung aber nicht zu einer Verschlechterung (vi.2). vi. Erklären Sie, was passiert, wenn man in einem EDD-Schedule benachbarte Jobs (6 P) J i, J j tauscht? Hinweis: Überlegen Sie mit Hilfe eines Gantt-Diagramm wie in iii). S J 0... J i J j... J n S J 0... J j J i... J n e i ẽ j e j d i d j = ẽ i max{l 0,..., L i, L j,... } = L max (S) L max ( S) max{l i, L j } (a,b) max{ L i, L j } = (c) Li da (c) Lj = ẽ j d j < ẽ i d j ( ) ẽ i d i = L i (a) (b) L j < L i = e i d i < ẽ i d i = L i L i < L j = e j d j ( ) e j d i = ẽ i d i = L i (*) Gleichheit, wenn d i = d j. Jeder Jobtausch in einem EDD-Schedule verringert nie die maximale Verzögerung. Also ist die maximale Verzögerung eines EDD-Schedules minimal. KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 9/11

Aufgabe 3: Scheduling (a) Online Offline Scheduling i. Erklären Sie kurz den Unterschied zwischen Online- und Offline-Scheduling. (2 P) Online-Scheduling: Zur Laufzeit kommen neue Jobs zu der Liste der abzuarbeitenden Jobs hinzu, z.b. ein neuer Prozess wird gestartet und dessen Ausführung muss mit eingeplant werden. Offline-Scheduling: Vor der Ausführung sind alle Jobs bekannt. Die Liste der abzuarbeitenden Jobs verändert sich nicht während der Laufzeit. Unterschied: Im Offline-Scheduling wird die Ausführungsreihenfolge und Resourcenzuweisung (z.b. Process CPU) vor der Ausführung festgelegt. Im Online- Scheduling ist das nicht möglich, da jederzeit neue Jobs hinzukommen können. ii. Nennen Sie einen Vorteil von Offline-Scheduling? (3 P) Eine vorherige Planung ist weniger zeitkritisch und kann länger dauern. Dadurch kann mit mehr Rechenaufwand eine ausgeklügeltere Ausführungsreihenfolge und Resourcenzuweisung der Jobs berechnet werden. besserer Schedule bezogen auf die gewählte Metrik. iii. Nennen Sie einen Vorteil von Online-Scheduling? (3 P) Die Einplanung neuer Jobs passiert zur Laufzeit und hat damit zeitliche Limitationen. Der Schedule passt sich den neuen Gegebenheiten dynamisch an. (b) Priorität i. Nennen Sie drei Beispiele in denen Prozess-Priorisierung Sinn machen. (3 P) Interaktive Prozesse mit höherer Priorität: Diese werden von Nutzer eher wargenommen und Verzögerungen wirken sich eher auf den Nutzer aus. Z.B. Browser, Programmstart vs. Hintergrund-Abläufe wie Rechtschreibprüfung, Download, Aktualisierung des Suchindexes Aufgaben-abhängige Priorisierung von Prozessen: Datensicherung (Abspeichern von Dokumenten) ist wichtiger als den Suchindex zu aktualisieren. Server beendet zunächst Datenbank-Transaktion, bevor neue Anfragen angenommen werden. Ergebnis-/Resultat-abhängige Priorisierung von Prozessen: Was passiert, wenn der Job lange wartet und das Ergebnis erst spät zur Weiterverarbeitung zur Verfügung steht? Vgl. Hard-Deadlines vs. Soft-Deadlines. 22 P KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 10/11

ii. Unix-basierte Betriebssysteme bieten Nutzern Befehle, um die Prozess-Priorität einzustellen. (6 P) Hinweis: Auch dieses Mal werden Ihnen die Unix man pages weiterhelfen. Erklären Sie kurz den Befehl, mit dem die Priorität eines neuen Programm- Aufrufes geändert werden kann. nice -n [prio] [cmd (args)] Erklären Sie kurz den Befehl, mit dem die Priorität eines laufenden Prozesses geändert werden kann. renice [prio] -p [pid] Prioritäten werden mit Zahlen ausgedrückt: Welche Zahlen sind zulässig? Welche Zahl drückt die niedrigste Priorität aus? -20 (höchste Priorität) bis 20 (niedrigste Priorität) ist möglich; für normale Nutzer nur 0 bis 20. Nützlich ist diese Möglichkeit zur Priorisierung, wenn man einen länger laufenden Prozess hat, der den Computer auslastet und unnutzbar macht. Z.B. werden für eine Bachelor-Arbeit Messdaten aufbereitet oder Video wird konvertiert. Hier kann der Prozess niedrig prioisiert werden. Dann dauert die Abarbeitung länger, jedoch stört der Prozess weniger. iii. Worin liegt der Unterschied zwischen dringende und wichtige Jobs? (5 P) dringend: Der dringenste Job muss zum frühesten Sollzeitpunkt (Deadline) abgearbeitet sein. wichtig: Jobs können eine Priorität bekommen, z.b. wie tollerierbar das Verpassen eines Sollzeitpunktes ist (vgl. Hard- und Soft-Deadlines). Unterschied: Dringlichkeit und Wichtigkeit sind zwei unabhängige Aspekte: bei zwei Jobs mit gleichem Sollzeitpunkt kann ein Job wichtiger sein. KMS SoSe 2014 Hausübung 2 (Musterlösung) 11/11