Sistemi Operativi - unimi.ithomes.di.unimi.it/sisop/lucidi/Solez5-0203.pdf · Sistemi Operativi Corso di laurea in Informatica 39 Sistemi Real-Time •La correttezza del sistema non

Sistemi Operativi

Lezione 5

Lo scheduling

AA 2002/03©Bruschi, Rosti

Sistemi OperativiCorso di laurea in Informatica

2

Introduzione

• In ogni processo i burst di CPU si alternanocon i tempi di I/O



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Introduzione

• Processi CPU-bound• Alternano lunghe computazioni ad attività di I/O

relativamente poco frequenti

• Processi I/O-bound• Alternano brevi computazioni a frequenti attività di

I/O

• Migliorando le prestazioni delle CPU, i CPUburst diventano sempre più brevi

• I processi I/O-bound devono essere eseguitiogni volta che lo richiedono per poter tenereoccupati i dischi



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Introduzione

• Quando un processo esegue un I/O, vienemesso in wait (blocked) per non sprecaretempo di CPU

• Viene selezionato tra i processi ready unnuovo processo da eseguire• processi pronti per l’esecuzione

• Queste attività vengono svolte da unparticolare processo di sistema: lo scheduler



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Lo Scheduler

• Decisioni di schedulazione in occasionedi• Creazione di un processo

• Eseguire il padre o il figlio

• Terminazione di un processo• Chi eseguire se non sono rimasti processi

• Blocco in attesa di un I/O o di un evento• Processo collegato o un altro

• Interrupt di I/O• Processo interrotto o destinatario dell’interrupt



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Tipi di scheduling

• A lungo termine• Aggiunta di un nuovo processo

• A medio termine• Aggiunta di un processo a quelli in memoria (da

blocked a ready)

• A breve termine• Scelta del processo da eseguire (da ready a running)

• Di I/O• Scelta della richiesta di I/O da far servire da un

device

Stati di un processo e scheduling



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Scheduling a Lungo Termine

• Determina i processi che possonoaccedere all’uso del sistema

• Controlla il livello di multiprogrammazione

• Più processi vengono ammessi nelsistema e minore sarà il tempo di CPU adisposizione di ciascun processo



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Scheduling a Medio Termine

• Componente della funzione di swapping

• Usato per controllare il livello dimultiprogrammazione



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Scheduling a Breve Termine

• Noto anche come dispatcher o CPUscheduler

• È lo scheduler eseguito più frequentemene• Invocato quando si verifica uno dei seguenti

eventi• Interrupt del Clock (50-60Hz)• Interrupt di I/O• Chiamate di sistema• Segnali



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Scheduling a breve termine

• Lo scheduler della CPU decide• quando eseguire un processo

• creazione di un nuovo processo• terminazione di un processo esistente• sospensione di un processo attivo• interruzione di un processo attivo• esaurimento del tempo assegnato

• quale processo eseguire• processo e/o thread

• per quanto tempo lasciarlo eseguire• prelazionabile o no



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Criteri per lo Scheduling a BreveTermine

• User-oriented• Tempo di Risposta

• Tempo che intercorre tra la generazione di unprocesso ed il primo output

• System-oriented• Throughput/Utilizzo

• Uso efficiente delle risorse del sistema



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Diagramma a code



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Criteri di scheduling

Per tutti: ottimizzare il tempo di attesa (waiting time)



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Categorie di Scheduling

• Preemptive• E` possibile sospendere momentaneamente il

processo in esecuzione per eseguire altri processi• Un processo esegue al piu` per un tempo massimo

prefissato• E` necessario l’interrupt di clock

• Non preemptive o run to completion• Il processo in esecuzione mantiene l’uso della

CPU sino alla naturale terminazione del burst• Terminazione del processo o richiesta di I/O• Non ci sono decisioni in corrispondenza degli interrupt di

clock



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First Come First Served

• Algoritmo non-preemptive

• Implementazione molto facile

• Average wait time molto variabile egeneralmente lontano dall’ottimo• Dipende dai tempi di esecuzione di chi è in

coda davanti a noi

• Da non usare in sistemi interattivi



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FCFS

0 5 10 15 20

1

2

3

4

5



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Shortest Job First

• Presuppone la conoscenza del tempo diesecuzione di ciascun processo

• Tutti i processi hanno uguale importanza• La CPU viene assegnata al processo col

tempo di esecuzione minore• Versione preemptive: shortest remaining time

next• All’arrivo di un nuovo job si rivaluta l’ordine e la

scelta corrente

• Garantisce il minimo tempo di risposta



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SJF

0 5 10 15 20

1

2

3

4

5



20

Shortest Remaining Time

0 5 10 15 20

1

2

3

4

5



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SJF vs FCFS

sequenza di arrivocon FCFS:t_medio di turnaround è 14m

sequenza riordinatacon SJF:t_medio di turnaround è 11m

In generale, dati n programmi con t_exe = ai,T_medio = [na1 + (n-1)a2 + …+ an]/n

che risulta minimizzato se a1 < a2 < …< an



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SJF

• Problema: conoscere a priori i CPU burst deijob in esecuzione• Si usano statistiche sulle precedenti esecuzioni

• sia tn il tempo di esecuzione stimato• sia tn il tempo di esecuzione misurato

• sia tn+1 il nuovo valore aggiornato della stima• sia a un parametro per pesare la stima

• con a = _ in 3 esecuzioni il peso della stima iniziale è 1/8

nnn t taa )1(t 1 -+⋅=+



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Round Robin

• Preemptive• Ad ogni processo in attesa di esecuzione viene

assegnato un intervallo di tempo detto quanto• Terminato il quanto, il processo, se non ha

terminato la sua esecuzione, viene rimesso incoda



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RR

0 5 10 15 20

1

2

3

4

5



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Round Robin

• Problema: la dimensione del quanto di tempo

• Il quanto di tempo è “tempo sprecato” per ilcontext switch• Quanto di tempo troppo breve: scarsa efficienza

della CPU• lavoro utile vs amministrazione

• Quanto di tempo troppo lungo: RR degenera inFCFS

• degenerano le prestazioni

• Quanto di tempo poco più lungo del CPU burst• la prelazione si riduce, migliorando le prestazioni



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Scheduling con priorità

• RR non consente di effettuare distinzioni tra i processi

• Il modello è stato raffinato con l’introduzione delleclassi di priorità• SJF è un esempio di algoritmo con priorita`



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• Uno scheduler basa spesso le propriedecisioni in base alla priorità di unprocesso

• In un sistema esistono quindi più codedi processi suddivise per priorità

• I processi con bassa priorità possonosoffrire starvation



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Code con priorita`



29


• Problema: la starvation dei processi abassa priorità

• Una soluzione a questo problema èdata dalla procedura di aging• La priorità assegnata ad un processo varia

nel tempo in funzione della suapermanenza nel sistema e del tempo diCPU consumato



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Scheduling dei thread

• Scheduling possibile per user-level thread• Quanto per processo 50 msec• Un thread esegue fino a che non cede volontariamente la CPU

perché il run-time non può interromperlo



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• Scheduling possibile per kernel-level threads• Quanto di tempo per processo 50 msec

• I thread vengono eseguiti in burst di CPU di 5 msec



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• Thread switch• A livello utente costa poche istruzioni• A livello kernel richiede un cambio della memoria e della

cache

• Blocco su I/O• A livello utente blocca l’intero processo• A livello kernel blocca il solo thread

• Decisioni di scheduling• A livello utente, ad hoc per l’applicazione• A livello kernel, al più sequenze di thread dello stesso

processo



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Scheduling in Unix

• Round-robin con multi-level feedback• Priorita` positiva per processi usente,

negativa per processi kernel• Sospensione dei processi

• Fine del quanto, attesa di un evento, presenza diproc. con priorita` "maggiore"

• S.O. mantiene info su processi perscheduling• Tempo nel sistema e in ready



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Lo scheduler in UNIX e` basato su una coda multilivello

Scheduling in Unix



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Scheduling in W2K

• Si schedulano i thread• Non i processi

• Non esiste un thread di sistema cheesegue lo scheduler

• Un thread entra in modalita` kernel edesegue lo scheduler quando• Si blocca su un evento• Segnala un oggetto• Il suo quanto e` finito



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Scheduling in W2K

Corrispondenza tra le priorita`di Win32 e quelle diW2K

thread utente



37

Scheduling in W2K

32 livelli di priorita` per i thread

Scheduling nei sistemi real-time



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Sistemi Real-Time

• La correttezza del sistema non dipende solodai risultati dei singoli processi ma anchedagli istanti di tempo in cui i risultati sonoprodotti

• I processi reagiscono ad eventi che siverificano nel mondo esterno

• Questi eventi si verificano in “tempo reale” e iprocessi devono essere in grado di gestirli intempo debito



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Sistemi Real-Time

• Controllo di esperimenti di laboratorio

• Sistemi per il controllo di processo

• Robot

• Controllo traffico aereo

• Telecomunicazioni

• Sistemi di controllo militari

• Sistemi multimediali



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Requisiti di un SO Real-Time

• Determinismo

• Prontezza

• User control

• Affidabilita`



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Requisiti: determinismo

• Tutte le operazioni svolte nel sistemadevono essere svolte in istanti di tempofissati e predeterminati oppure entrointervalli di tempo predeterminati

• L’intervallo di tempo richiesto dal SOper riconoscere un interrupt deveessere superiormente limitato• Max 1ms



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Requisiti: prontezza

• Deve essere possibile stabilire a prioridei limiti superiori a• Tempo speso dal SO per gestire

inizialmente un interrupt e iniziarel’esecuzione dell’handler

• Tempo speso dal SO per eseguirel’handler

• Effetto dell’annidamento degli interrupt



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Requisiti: controllo utente

• L’utente deve poter definire• Priorità dei processi

• Paging

• Quali processi devono risiederecostantemente in memoria

• Algoritmi di gestione del disco da utilizzare

• Diritti dei processi



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Requisiti: affidabilità

• Capacità di correggere un problema ominimizzare i suoi effetti mentre ilsistema continua la propria esecuzione

• Il degrado delle prestazioni può avereeffetti devastanti



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Proprietà caratteristiche

• Context switch molto veloce• Dimensioni del sistema contenute• Risposta molto veloce ad interrupt

esterni• Multitasking con primitive di IPC come

semafori, signals e eventi• File in grado di memorizzare grosse

quantità di dati ad alta velocità• Preemptive scheduling basato su

priorità



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Proprietà caratteristiche

• Minimizzazione degli intervalli di tempodurante i quali gli interrupt sonodisabilitati

• Possibilità di posticipare l’esecuzione diprocessi per quantità di tempodeterminate

• Allarmi e timeout speciali



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Scheduling di processi Real-Time

Solitamente inaccettabile



49


Inaccettabile in caso di task non RT lenti



50


Accettabile per sistemi poco esigenti



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Ritardi contenuti entro 100msec



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Scheduling basato su Deadline

• Le applicazioni real-time non devonoessere eseguite velocemente ma nelrispetto dei tempi imposti

• Un algoritmo di scheduling che dàpriorità ai processi con deadline piùvicina minimizza il numero di processi lacui deadline non viene rispettata



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• Esempio• Si consideri un sistema soft real-time caratterizzato

da tre eventi periodici rispettivamente con periodo100, 200, 500 ms

• Ciascuno richiede l’intervento della CPU per 50, 30,100 ms, rispettivamente

• È possibile ottenere uno scheduling di taliprocessi?

• Se aggiungiamo un processo con periodo 1s, qualicaratteristiche deve possedere per poter essere asua volta schedulato?



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• Sistemi real-time in cui la schedulazioneè possibile• Dati

• m eventi periodici

• L’evento i si verifica con periodo Pi e richiede Ci

tempo di CPU

• Il carico può essere gestito solo se

1m

i

i = 1i

CP

£Â



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Erlieast Deadline First Scheduling

• Algoritmo dinamico e con prelazione• Adatto a processi non periodici• I CPU burst di un processo possono essere

diversi tra loro• Lo scheduler tiene una coda ordinata in base

alle deadline ed esegue il processo con ladeadline più prossima• Dati due processi con uguale deadline, uno in

esecuzione e l’altro ready, si lascia proseguirequello in esecuzione per minimizzare l’overhead



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Deadline Scheduling

• Informazioni usate• Ready time• Starting deadline• Completion deadline• Processing time• Resource requirements• Priority• Subtask scheduler



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Rate Monotonic Scheduling

• Assegna priorità ai processi sulla basedella loro periodicità

• I processi con maggiore priorità sonoquelli con frequenza di esecuzionemaggiore• Periodo minore



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Scheduling in sistemi real-timeRMS

A: t_exe = 10ms, periodo = 30ms, priorità = 33B: t_exe = 15ms, periodo = 40ms, priorità = 25C: t_exe = 5ms, periodo = 50ms, priorità = 2010/30 + 15/40 + 5/50 = 0.808 < 1 -> processi schedulabili



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Scheduling in sistemi real-timeRMS

Sequenza generata da RMS



60

Scheduling in sistemi real-timeEDF vs RMS



61

Scheduling in sistemi real-timeEDF vs RMS

T_exeA = 15mssistema schedulabile (1/2 + 3/8 + 1/10 = 0.975 < 1)



62

Scheduling in sistemi real-time

• RMS fallisce perché considera solo il periodo,non il tempo di esecuzione

• L’uso di priorità statiche funziona solo sel’utilizzo della CPU non è troppo alto

• EDF funziona sempre per qualunque insiemedi processi schedulabili e può raggiungere unutilizzo di CPU pari a 1

1

m(21/m – 1)

m

i

i i

CP=

£Â



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Scheduling in sistemi real-time

• Tutte le considerazioni sinora svolte hannoassunto un tempo di context switch pari a 0

• Il tempo di context switch dei sistemi generalpurpose è molto lontano da tale valore

• Rispetto a questi, i sistemi real-timenecessitano di:• Gestione di interrupt veloci• Context switch rapidi• Intervalli molto brevi di disabilitazione degli

interrupt

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