Operációs Rendszerek II.

1. Operációs Rendszerek II. 6. előadás 2007. március 12.

3. Folyamatok ütemezése • A folyamat ütemezés célja a folyamatok és a processzor(ok) összerendelésének dinamikus szabályozása. Típusai: • Hosszú távú ütemezés • Közép távú ütemezés • Rövid távú ütemezés • Ezen felül létezik még I/O ütemezés is A mai nap a folyamat ütemezésről szól, I/O ütemezés később!

4. Hosszú távú ütemezés • A programok aktiválását szabályozza (folyamat diagramban a „felvesz” állapot átmenetet jelképezi). • Biztosítja, hogy a multiprogramozás foka optimális legyen a rendszerben. Szempontok: • folyamatok száma a rendszerben • a CPU passzív (idle) állapotának aránya a teljes CPU időhöz képest

5. Megvalósítás • Kötegelt rendszerek esetén a job-ok egy várakozó sorba kerülnek, ebből választ a hosszú távú ütemező. A döntés dimenziói: • Mikor válasszon új folyamatot: multiprogramozás fokának optimalizálása • Melyik folyamatot válassza: FIFO vagy terhelési minta optimalizálás. • Interaktív rendszerekben a felhasználó a fő ütemező, OS lehetőségei: ha a rendszer terhelése meghalad egy kritikus szintet (ez általában a folyamatok számában, esetleg a szabad virtuális memória mennyiségében mérhető), akkor nem engedi új folyamat létrehozását.

6. Közép távú ütemezés • Feladata komplett folyamatok mozgatása a központi memória és a másodlagos tároló (swap terület) között (swapping). • Vizsgálata a memóriakezelés ismertetése során fog megtörténni

7. Rövid távú ütemezés • Ez az ütemező közvetlenül és folyamatosan meghatározza a processzor(ok) és a folyamatok közötti kapcsolatot. • A hosszú- és közép távú ütemezők viszonylag ritkán aktivizálódnak csak durva ütemezési döntéseket hoznak. • A rövid távú ütemező aktivizálódásához különböző események vezethetnek (nem mindegyik esemény érvényes minden algoritmus esetén): • Időzítő megszakítása • I/O megszakítások • Operációs rendszer hívások • Signal-ok

8. Rövid távú ütemezési szempontok • Meglehetősen sokféle algoritmus létezik, egyik sem „mindenható”. • Lehetséges vizsgálati szempontok: • felhasználó vagy rendszer orientált • teljesítmény alapú vagy „egyéb”

9. Felhasználó vagy rendszer orientált • Felhasználó orientált eset • az egyedi felhasználók (folyamatok) igényeit vesszük figyelembe, így például az egyes folyamatok válaszidejét. • Ezek azok a szempontok, melyeket interaktív rendszer esetén egy felhasználó valóban érzékel. • Rendszer szempontjából • a rendszernek a kihasználtsági szint maximalizálására kell törekednie • az egyes felhasználók (folyamatok) kevésbé érdekesek, – ez a felhasználók érdekét sértheti • Egyszerre mindkét szempontot nem lehet teljesen kielégíteni.

10. Teljesítmény alapú vagy egyéb • A közvetlen teljesítmény jellemzők mellett más tényezők is befolyásolják a rendszerről alkotott véleményt, pl: • megjósolhatóság: folyamatosan hasonló válaszidőket produkáló rendszer sokkal inkább elfogadható egy felhasználó számára, mint egy folyamatosan ingadozó rendszer (ugyanarra a tevékenységre vizsgálva)

11. Szempontok B: batch (kötegelt, I: Interaktív

12. Algoritumusok jellemzői • Folyamat megszakíthatósága • Prioritások alkalmazása • A döntés alapja (amely alapján meghatározzuk a kiválasztandó folyamatot)

13. Algoritumusok jellemzői • Folyamat megszakíthatósága (preemptive) • Meghatározza, hogy az ütemező algoritmus megszakíthatja-e egy folyamat futását, vagy az csak akkor szakad meg, ha a folyamat lemond a CPU-ról vagy erőforrás miatt blokkolódik. • A megszakítható ütemező algoritmusok általában bonyolultabbak, jobban terhelik a rendszert – ugyanakkor sokkal korrektebb ütemezési megoldást biztosítanak.

14. Algoritumusok jellemzői • Folyamat megszakíthatósága • Prioritások alkalmazása • Több olyan algoritmus is van, ahol a folyamatok közötti választást egy, a felhasználó által meghatározott fontossági információ (prioritás) befolyásolja. • A „tiszta” prioritásos megoldás fő problémája az alacsonyabb prioritású folyamatok kiéheztetése.

15. Algoritumusok jellemzői • Folyamat megszakíthatósága • Prioritások alkalmazása • A döntés alapja több paraméter közül kerülhet kiválasztásra: • A folyamat rendszerben eddig eltöltött összes ideje (várakozás és végrehajtás egyaránt): w • Az eddig futással eltöltött idő: e • A folyamat becsült teljes kiszolgálási ideje (az eddig eltöltött időt is beleértve): s • Fontos látni, hogy a kiszolgálási idő valóban csak becsülhető – amely az esetleges múltbéli tapasztalatok alapján pontosítható. A túlzottan optimista folyamatok futását (amelyek az előre megadottnál sokkal tovább kívánnak futni) a megadott idő letelte után a rendszer megszakíthatja.

16. Vizsgált algoritmusok • FCFS (FIFO) • Round Robin • Shortest Process Next • Shortest Remaining Time • Highest Response Ratio Next • Feedback • Lottó ütemezés

17. FCFS (FIFO) • Működés • A legegyszerűbb algoritmus, amely beérkezésük sorrendjében futtatja a folyamatokat. • Az algoritmus nem megszakítható, ha valamely folyamat blokkolódik, helyette a legrégebben a sorban található folyamat kerül kiválasztásra. • Értékelés • Az algoritmus előnybe részesíti a CPU igényes folyamatokat, hiszen azok sokkal ritkábban blokkolódnak, mint az I/O igényes folyamatok. • Az algoritmus következtében az I/O eszközök kihasználtsága meglehetősen rossz.

18. Vizsgált algoritmusok Folyamat rendszerben eddig eltöltött összes ideje: w Az eddig futással eltöltött idő: e Folyamat becsült teljes kiszolgálási ideje (az eddig eltöltött időt is beleértve): s

19. Példa – FCFS (FIFO)

20. Round Robin • Az interaktív rendszerek alapalgoritmusa. Az időzítő periodikusan megszakításokat generál, a kernel minden megszakításkor másik folyamatot választ ki futásra a futásra kész folyamatok közül – így alapesetben minden folyamat egy időszeletnyi ideig futhat. • Az algoritmus egyik alapvető kérdése az időszelet hosszának meghatározása. • Nagyon rövid időszelet választásával a rövid folyamatok gyorsan végrehajtásra kerülnek, ugyanakkor a sok folyamatváltás komoly többletterhet ró a rendszerre. • Legcélszerűbb olyan időszeletet választani, amely egy tipikus interakció végrehajtását lehetővé teszi – ez a megoldás kifejezetten jó hatással van a válaszidőre.

21. Round Robin (értékelés) • Használható általános célú ütemező • I/O igényes folyamatokkal szemben igazságtalan • az I/O igényes folyamat viszonylag gyorsan blokkolódik, így az időszelete egy részét elveszti • összességében a CPU igényes folyamatok sokkal több időt kapnak, mint az I/O igényes társaik. • Módosított algoritmus a fenti probléma megoldására • a várakozósor két sorból áll: az egyik „normál” várakozósoron kívül van egy sor a blokkolásból visszatérő folyamatok számára is. • Amíg a második sor nem üres, a kernel ebből választ folyamatot – azonban ez a folyamat csak a blokkoláskori időszeletéből megmaradt időtartamig futhat (ezután – ha nem blokkolódik ismét – visszakerül a normál várakozósorba).

22. Vizsgált algoritmusok Folyamat rendszerben eddig eltöltött összes ideje: w Az eddig futással eltöltött idő: e Folyamat becsült teljes kiszolgálási ideje (az eddig eltöltött időt is beleértve): s

23. Példa – Round Robin

24. Shortest Process Next • Az ütemező mindig azt a folyamatot választja, amelynek legrövidebb a becsült teljes kiszolgálási ideje • Rövid folyamatokat favorizálja a hosszabbakkal szemben • Nem megszakítható algoritmus

25. Vizsgált algoritmusok Folyamat rendszerben eddig eltöltött összes ideje: w Az eddig futással eltöltött idő: e Folyamat becsült teljes kiszolgálási ideje (az eddig eltöltött időt is beleértve): s

26. Shortest Remaining Time • Az SPN egy megszakítható változatának tekinthető • Mindig az a folyamat lesz futásra kiválasztva, amelynek legkisebb a várható futási időszükséglete (tehát ami még hátra van) • Amennyiben folyamat kerül a várakozósorba (pl. blokkolódásból visszatér), a megtörténik a folyamatok felülvizsgálata, és a legrövidebb folyamat kiválasztása

27. Vizsgált algoritmusok Folyamat rendszerben eddig eltöltött összes ideje: w Az eddig futással eltöltött idő: e Folyamat becsült teljes kiszolgálási ideje (az eddig eltöltött időt is beleértve): s

28. Példa – SPN, SRT

29. Highest Response Ratio Next • Célja a fordulási idő és az aktív idő (mikor a folyamat valóban futott) arányának minimalizálása. • (nem megszakítható módon) mindig azt a folyamatot választja ki, amely esetében az R=(w+s)/s hányados értéke a legnagyobb. • w a rendszerben eltöltött összes idő, s pedig a becsült teljes kiszolgálási idő. • Előnye: figyelembe veszi a folyamatok korát

30. Vizsgált algoritmusok Folyamat rendszerben eddig eltöltött összes ideje: w Az eddig futással eltöltött idő: e Folyamat becsült teljes kiszolgálási ideje (az eddig eltöltött időt is beleértve): s

31. Példa – HRRN

32. Feedback • Az előző algoritmusok közös problémája az, hogy alkalmazásukhoz legalább becsléssel kell rendelkeznünk az adott folyamat várható futási idejéről – ez pedig sok esetben nem lehetséges. • A feedback algoritmus az ütemezési döntést a folyamat eddigi „élete” alapján hozza meg. • Az algoritmus megszakítható, időszelet alapú azonban változtatható prioritásokat használ: • minél hosszabb ideje fut a folyamat a rendszerben, annál jobban csökken a prioritása (egy minimum értékig).

33. Feedback (értékelés) • Probléma: az algoritmus a hosszú folyamatokat komolyan bünteti • Megoldás: különböző prioritási szintek esetén eltérő időszeleteket használ: minél alacsonyabb a prioritás, annál hosszabb az időszelet • Probléma: sok rövid folyamat könnyen kiéheztet egy hosszabb folyamatot • Megoldás: az algoritmus módosított változatában a várakozó folyamatok prioritása lassan növekszik

34. Vizsgált algoritmusok Folyamat rendszerben eddig eltöltött összes ideje: w Az eddig futással eltöltött idő: e Folyamat becsült teljes kiszolgálási ideje (az eddig eltöltött időt is beleértve): s

35. Lottó algoritmus • A klasszikus változó prioritásos ütemezők problémáit próbálja kiküszöbölni: • nem lehet a folyamatoknak CPU birtoklási arányt megadni • egy felhasználó monopolizálhatja a rendszert ha sok folyamatot indít • Minden folyamat adott számú (sors)jegyet kap, az ütemezés „véletlen” sorshúzással zajlik. A folyamatok CPU birtoklási aránya a kapott jegyek számán alapul • Ha a jegyeket a felhasználóhoz rendeljük, akkor az összes folyamata számára adunk birtoklási arányt – nem lehet monopolizálni a rendszert • A megoldás egyik komoly hátránya az, hogy a blokkolás miatt elveszett idő-töredékek valóban elvesznek – erre az algoritmus továbbfejlesztése ad megoldást

36. Az ütemezők fejlődése • A fejlődés mozgatórugói • Többprocesszoros rendszerek megjelenése • Valós idejű ütemezési igények megjelenése

37. Ütemezés többprocesszoros rendszerekben - szemcsézettség

38. Folyamatok és processzorok összerendelése • Az összerendelés lehet • Statikus (a folyamat CPU-hoz kötött) • Dinamikus (mindig az éppen szabad CPU-t használjuk) • SMP megoldások esetén a statikus összerendelés jelentős teljesítmény problémákat okozhat (bár sokkal egyszerűbb megvalósítani) • az egyik CPU várakozósorában több folyamat várakozik, míg egy másik CPU kihasználatlanul várakozik.

39. Kernel folyamatok és processzorok összerendelése • Kernel folyamatok CPU-hoz rendelése történhet • master/slave • peer • Master/slave esetben a kernel kulcsfunkcióit valamely CPU-hoz kapcsoljuk. • Ez a megoldás jelentősen leegyszerűsíti a működést, de ez a CPU könnyen szűk keresztmetszetté válhat. • Teljesen dinamikus működés esetén viszont arról kell gondoskodni, hogy ha a két CPU egyszerre aktivizálja valamely kernel funkciót, akkor nehogy ütközés legyen.

40. Egyes CPU-k multiprogramozása (statikus összerendelésnél) • Elvben lehetséges, de… • Ha sok CPU van a rendszerben 1-1 CPU kihasználtsága nem igazán fontos • Sok esetben a szálak akkor tudnak igazán hatékonyan futni, ha egyszerre aktívak (egyéb esetben a közöttük fellépő szinkronizációs igény jelentősen visszaveti a működést). • Előfordulhat, hogy több szál együttes futása fontosabb, mint minden CPU folytonos kihajtása.

41. Folyamatok és szálak ütemezése • A tradicionális multiproc. rendszerek • Folyamat alapú ütemezés • Folyamatokat nem kötjük hozzá processzorokhoz, jellemzően egy közös várakozósorba szervezzük őket • Mai multiprocesszoros rendszerek • Ütemezés szál alapon történik

42. Szálak ütemezése • Egyprocesszoros rendszerekben a szálakat a programozás megkönnyítésére használták • Többprocesszoros rendszerekben a szálak már a valós párhuzamosság kihasználására is alkalmasak • Ebben az esetben azonban fontos lehet, hogy a párhuzamos szálak valóban egy időben fussanak (kommunikáció).

43. Szálak üzemezésének módjai • Terhelés megosztás: az egyprocesszoros rendszerek esetén megismert megoldást terjesztjük ki MP rendszerekre • Csoportos ütemezés, a szálak és a CPU-k között 1:1 megfelelést alakítunk ki, a folyamat futásához pontosan annyi CPU kell, amennyi szála van • Dedikált CPU-k, a CPU-kat a folyamat élete alatt hozzárendeljük az adott folyamathoz • Dinamikus ütemezés, dinamikusan kezeljük a folyamatokhoz tartozó szálak számának változását

44. Terhelés megosztás • Jellemzők • Terhelést egyenlően osztjuk szét a CPU-k között • Nincs szükség központi ütemezésre, minden szabad CPU magának választ folyamatot • Ehhez kell egy globális folyamat-sor • Hátrányok • A folyamat-sor szűk keresztmetszet lehet, bár ez a probléma több tíz, sőt több száz CPU esetén jelentkezik • A szálak nem biztos, hogy az előzőleg kiválasztott CPU-hoz térnek vissza, ami lokális gyorsítótárral rendelkező CPU-k esetében problématikus • Több szálból álló folyamat esetén nem valószínű, hogy az összes szál egyszerre aktivizálódik – ez pedig a szál szinkronizáció során teljesítmény probléma. • Hátrányai ellenére ez a legelterjedtebb ütemezési mód!

45. Csoportos ütemezés • Több (egy folyamathoz tartozó) szál együttes kiválasztásának előnyei • a szorosan kapcsolódó szálak szinkronizáció miatti blokkolódásának problémája jelentősen csökken • ütemezési terhelés többlet kisebb, hiszen egy döntés több CPU-t is érint • Ehhez az ütemezéshez szükséges valamilyen CPU foglalási algoritmus

46. Dedikált CPU hozzárendelés • A csoportos ütemezésnek egy extrém formája. • Látszólag rendkívül CPU pazarlóan működik (hisz nincs CPU szintű multiprogramozás), bizonyos esetekben megoldás lehet • Sok CPU-s rendszerekben (akár 100 feletti CPU számmal), egyetlen CPU a költségeknek töredékét képviseli • A folyamatváltások elmaradása a folyamat teljes futási idejére jótékonyan hathat

47. Dinamikus ütemezés • Sok esetben a folyamathoz tartozó szálak számossága folyamatosan változhat, így a statikus összerendelések nem túl hatékonyak • Ezek az algoritmusok általában az operációs rendszerek és a folyamatok közötti együttműködést igénylik • Az operációs rendszer feladata a CPU-k szétosztása a folyamatok között, a többi már a folyamat szint feladata