08 algoritmos planif proc

IntroducciónMétricas

Algoritmos de planificaciónEsquemas híbridos y prioridades externas

Planificación de procesos: Algoritmos deplanificación

Gunnar Wolf

Facultad de Ingeniería, UNAMInstituto de Investigaciones Económicas, UNAM

Gunnar Wolf Planificación de procesos: Algoritmos de planificación



Índice

1 Introducción

2 Métricas

3 Algoritmos de planificación

4 Esquemas híbridos y prioridades externas




Referencia para esta sección

Buena parte del material de esta unidad toma por referencia alcapítulo 2 de An operating systems vade mecum (Raphael

Finkel, 1988), disponible para su descarga en el sitio Web delautor.


ftp://ftp.cs.uky.edu/cs/manuscripts/vade.mecum.2.pdf

ftp://ftp.cs.uky.edu/cs/manuscripts/vade.mecum.2.pdf



Principal decisión en un sistema multitareas

¿Qué proceso es el siguiente a ejecutar?¿Qué procesos han ido terminando?

¿Qué eventos ocurrieron que hacen que cambien deestado?

Solicitudes (y respuestas) de E/SSwap de/a disco

¿Cual es el siguiente proceso al que le toca atención delCPU?

¿Y por cuánto tiempo?

Vemos que hay tres tipos muy distintos de planificación.




Planificador a largo plazo

Cual es el siguiente proceso a ser iniciadoPrincipalmente orientado a la operación en lotes

Principalmente a los sistemas con spoolTambién presente en la multiprogramación temprana

Decide en base a los requisitos pre-declarados de losprocesos, y a los recursos disponibles al ejecutarsePeriodicidad: segundos a horasHoy en día no se emplean

El usuario indica expresamente qué procesos iniciarPodría verse a los programas como cron, at, o enWindows al Planificador de procesos como cubriendo esterol

Aunque son procesos plenamente en espacio de usuario




Planificador a largo plazo

Figura: Planificador a largo plazo




Planificador a mediano plazo

Cuáles procesos hay que bloquearPor escasez/saturación de algún recurso (p.ej.almacenamiento primario)Por haber iniciado una operación que no puedesatisfacerse aún

Cuáles procesos hay que desbloquearA la espera de algún dispositivoFueron enviados a swap, pero ya requieren o merecenejecutarse

Frecuentemente llamado agendador (scheduler)




Planificador a mediano plazo

Figura: Planificador a mediano plazo, o agendador




Planificador a corto plazo

Cómo compartir momento a momento al CPU entretodos los procesosSe efectúa decenas de veces por segundo

Debe ser simple, eficiente y rápidoSe encarga de planificar los procesos listos para ejecución

Estados listo y ejecutando

Frecuentemente llamado despachador (dispatcher)




Planificador a corto plazo

Figura: Planificador a corto plazo, o despachador




Tipo de planificador según transición

Figura: Diagrama de transición entre losestados de un proceso

Largo plazo:AdmitirMediano plazo:Ocurrió evento,Esperar eventoCorto plazo:Activar ejecución,Tiempo terminado




El enfoque de esta unidad

En esta unidad hablaremos particularmente del planificador acorto plazo

Cuando un proceso es suspendido (o bloqueado) yposteriormente reactivado, lo trataremos como un proceso

nuevo.




Tipos de proceso

Diversos procesos tienen distintas característicasAlternan entre ráfagas (bursts)

Limitado por CPULimitado por E/S

Cuando termina una ráfaga limitada por CPU y sesuspende esperando E/S, deja de estar listo y sale de lavista del despachadorEsto nos lleva a separar los procesos en. . .




Tipos de proceso

Ojo: ¡Un poco contraintuitivo!

Largos Han estado listos o en ejecución por muchotiempo

Esto es, están en una ráfaga limitada porCPU

Cortos En este momento están en una ráfaga limitadapor E/S

Requieren atención meramente ocasional delprocesadorTienden a estar bloqueados, esperando aeventos

Como buena parte de los procesosinteractivosGunnar Wolf Planificación de procesos: Algoritmos de planificación



Índice

1 Introducción

2 Métricas






Unidades a manejar

Para hablar de planificación del procesador, no vamos amanejar tiempos estándar (s, ms, ns), sino que:

Tick Un tiempo mínimo dado durante el cual se puederealizar trabajo útil. Medida caprichosa yarbitraria.

En Windows, un tick dura entre 10 y 15 ms.En Linux (2.6.8 en adelante), dura 1 ms.

Quantum Tiempo mínimo, expresado en ticks, que sepermitirá a un proceso el uso del procesador.

En Windows, 2 a 12 ticks (esto es, 20 a180ms).En Linux, 10 a 200 ticks (10 a 200ms)




¿Qué es mejor?

No hay un sólo criterio para definir qué es una mejorrespuestaEl patrón correcto varía según el propósito del sistemaUn proceso interactivo sufre si el tiempo de respuestaincrementa, aunque pueda procesar por más tiempocorrido

En caso de sufrir demoras, debemos intentar que seanconsistentes, aunque el tiempo promedio resultedeterioradoEs mejor saber que el sistema siempre tardará 0.5s enresponder a mis necesidades a que unas veces respondade inmediato y otras tarde 3s.

¿O no?




¿Qué métricas compararemos?

Para un proceso p que requiere ejecutarse por tiempo t,

Tiempo de respuesta (T ) Tiempo total que toma el trabajo.Incluye el tiempo que pasó inactivo (pero listo).

Tiempo en espera (E ) De T , cuánto tiempo está esperandoejecutar. (Tiempo perdido)

E = T − t; Idealmente, para p, Ep → 0Proporción de penalización (P) Fracción del tiempo de

respuesta durante la cual p estuvo en espera.P = T

tProporción de respuesta (R) Fracción del tiempo de respuesta

durante la cual p pudo ejecutarse.R = t

T ; R = 1P




Además de los anteriores, para el sistema. . .

Tiempo núcleo o kernel Tiempo que pasa el sistema enespacio de núcleo

Tiempo desocupado (idle) Tiempo en que la cola de procesoslistos está vacía y no puede realizarse ningúntrabajo.

El sistema operativo aprovecha este tiempopara realizar tareas de mantenimiento

Utilización del CPU Porcentaje del tiempo en que el CPU estárealizando trabajo útil.

Conceptualmente, entre 0 y 100%En realidad, en un rango entre 40 y el 90%.




Por ejemplo. . .

Los siguientes procesos forman la cola de procesos listos:

Proceso Ticks LlegadaA 7 0B 3 2C 12 6D 4 20

Toma 1 tick realizar un cambio de contexto; cada quantum esde 5 ticks, y tenemos un ordenamiento de ronda1

1Que pronto describiremosGunnar Wolf Planificación de procesos: Algoritmos de planificación



Precisiones sobre el ejemplo

Nuestro ejemplo no es realista

¡El cambio de contexto propuesto esdesproporcionadamente largo! (sólo para ejemplificar)Consideraremos al tiempo núcleo como si fuera unproceso más

Midiendo como si iniciara y terminara junto con losdemásNormalmente el tiempo núcleo no se cuenta, es tomadopor burocracia




Graficando nuestro ejemplo

Figura: Ejecución de cuatro procesos con quantums de 5 ticks ycambios de contexto de 1 tick




Resolviendo nuestro ejemplo

Proceso t T E P RA 7B 3C 12D 4Promedio útilNúcleo 6Promedio total

Tiempo kernelTiempo desocupadoUtilización del CPU




Resultado de nuestro ejemplo

Proceso t T E P RA 7 18 11 2.57 0.389B 3 7 4 2.33 0.429C 12 26 14 2.17 0.462D 4 9 5 2.25 0.444Promedio útil 6.5 15 8.50 2.31 0.433Núcleo 6 32 26 5.33 0.188Promedio total 6.4 18.4 12.00 2.88 0.348

Tiempo kernel 14 ticksTiempo desocupado 0 ticksUtilización del CPU 26 ticks




Frecuencias

Respecto al patrón de llegadas y salidas de procesos a la colade procesos listos:

α Frecuencia de llegada promedioβ Tiempo de servicio requerido promedioρ Valor de saturación, ρ = α

β

Esto significa:

ρ = 0 Nunca llegan procesos nuevos; el sistema estarádesocupado

ρ = 1 Los procesos salen al mismo ritmo al que entranρ > 1 Los procesos llegan más rápido de lo que puede

ser atendidos. La cola de procesos listos tiende acrecer. R disminuye para todos.




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1 Introducción

2 Métricas






¿Cuándo se ejecuta el despachador?

Cuando un proceso:

1 Pasa de ejecutando a en esperap.ej. por solicitar E/S, sincronización con otro proceso,ceder el paso (yield)

2 Pasa de ejecutando a listop.ej. al ocurrir una interrupción

3 Deja de estar en espera para estar listop.ej. cuando finaliza la operación E/S que solicitó

4 Pasa de ejecutando a terminadoCuando finaliza su ejecución

Para la multitarea cooperativa, podrían ser sólo 1 y 4.




Nuestros procesos base

Para presentar los diferentes algoritmos, usarmos la siguientetabla de procesos:

Tiempo de TiempoProceso llegada requerido

(t)A 0 3B 1 5C 3 2D 9 5E 12 5Promedio 4




Primero llegado, primero servido (FCFS)

First Come, First Serve.También referido como FIFO (First In, First Out)

El esquema más simple de planificaciónApto para multitarea cooperativaCada proceso se ejecuta en órden de llegadaHasta que suelta el control





Figura: Primero llegado, primero servido (FCFS)





Proceso Inicio Fin T E PA 0 3 3 0 1B 3 8 7 2 1.4C 8 10 7 5 3.5D 10 15 6 1 1.2E 15 20 8 3 1.6Promedio 6.2 2.2 1.74





La sobrecarga administrativa es mínimaEl algoritmo es extremadamente simple: una cola FIFOEfectúa el mínimo posible de cambios de contextoNo requiere hardware de apoyo (temporizador /interrupciones)→ Principio de histéresis (Finkel): “Hay que resistirse alcambio”

El rendimiento percibido por los últimos procesosdisminuye

Los procesos cortos pueden esperardesproporcionadamente mucho tiempoLa demora aumenta fuertemente conforme crece ρ

Tendencia a la inanición cuando ρ ≥ 1




Ronda (Round Robin)

Busca dar buena respuesta tanto a procesos cortos comolargosRequiere multitarea preventivaEjecutamos cada proceso por un quantum

Si no terminó su ejecución, se interrumpe y coloca devuelta al final de la colaLos procesos nuevos se forman también al final de estamisma cola




Ronda (Round Robin)

Figura: Ronda (Round Robin)




Ronda (Round Robin)

Proceso Inicio Fin T E PA 0 6 6 3 2.0B 1 11 10 5 2.0C 4 8 5 3 2.5D 9 18 9 4 1.8E 12 20 8 3 1.6Promedio 7.6 3.6 1.98




Ronda (Round Robin)

Alta frecuencia de cambios de contextoA pesar de que el algoritmo es simple, la sobrecargaadministrativa (burocracia) es alta

Puede modificarse incrementando el quantumReduce la frecuencia de cambios de contextoPara valores grandes de q, tiende a convertirse en FCFS




Ronda (Round Robin) con q = 4

Figura: Ronda (Round Robin), con q = 4




Ronda (Round Robin) con q = 4





El proceso más corto a continuación (SPN)

Shortest Process NextMultitarea cooperativaPero requerimos un algoritmo más justo que FCFSSabemos cuánto tiempo va a requerir cada proceso

No por magia: Podemos estimar / predecir basados en suhistoria

Recuerden: Un proceso puede entrar y salir del ámbitodel despachador

SPN puede mantener la contabilidad de los procesosincluso tras entregarlos de vuelta al agendador




SPN con tiempos declarados

Hace años, podía esperarse que los usuarios proporcionaran unestimado de sus tiempos de ejecución:

En un sistema que da alta prioridad a los procesos conestimación de tiempo corta, la política normal es terminaraquellos procesos que excedan sus límites estimados; deotro modo, los usuarios pronto arruinarían el esquema.En este caso, la mayoría de usuarios prefieren hacerpredicciones conservadoras. Morris (1967) encuentra quelos usuarios sobre-estimaron sus requisitos dealmacenamiento por 50%, y dice que “las estimacionesen tiempo de procesamiento son mucho peores”

–Per Brinch Hansen, 1973




Estimando para SPN: Promedio exponencial

Es común emplear un promedio exponencial para estimar lasiguiente demanda de tiempo de p: Si en su última invocación

empleó q quantums,e ′p = fep + (1− f )q

Donde 0 ≤ f ≤ 1 es el factor atenuante, determinando quétan reactivo será el promedio a cada cambio.

Es común que f ≈ 0,9




Estimando para SPN: Promedio exponencial

Figura: Predicción de próxima solicitud de tiempo de un procesobasado en su historia.





Figura: El proceso más corto a continuación (SPN)





Obviamente, SPN favorece a los procesos cortosUn proceso largo puede esperar mucho tiempo antes deser atendidoCon ρ alto, los procesos largos sufren inanición

Con una cola de procesos listos chica, el resultado essimilar a FCFS

Pero vimos que una sóla permutación entre el órden deB y C redujo fuertemtente los factores de penalización




Variaciones sobre SPN: SPN preventivo (PSPN)

Emplea la estrategia de SPN, pero interrumpe cadaquantumFinkel observa que la penalización a procesos largos no esmucho peor que la de la rondaMantiene mejores promedios, porque los procesos cortossalen más temprano de la cola.




Variaciones sobre SPN: El más penalizado acontinuación (HPRN)

Highest Penalty Ratio NextMultitarea cooperativa

Las alternativas (FCFS y SPN) parecen injustas paramuchos proesosBusca otorgar un mejor balance

Todos los procesos incian con un valor de penalizaciónP = 1Cada vez que un proceso es obligado a esperar un tiempow por otro, P = w+t

t (acumulando w)Se elige el proceso cuyo valor de P sea mayor




El más penalizado a continuación (HPRN)

Mientras ρ < 1, HPRN evita inanición incluso en procesoslargosFinkel apunta que, ante la experimentación, HPRN seubica siempre entre FCFS y SPNPrincipal desventaja: Es un algoritmo caro

Cuando hay muchos procesos en la cola, P tiene quecalcularse para todos ellos a cada invocación deldespachador




Mecanismos con múltiples colas

Hasta ahora, se evalúa cómo ordenar los procesos en lacola única de procesos listosDar trato diferenciado a procesos con perfiles distintos escomplicado. . . ¿Y si montamos distintas colas de procesos listos?

Asignando determinado patrón de comportamiento a lamigración de una cola a otraDando un trato diferenciado a los procesos de distintascolas




Mecanismos con múltiples colas

Figura: Representación de un sistema con cinco colas de prioridad ysiete procesos listos




Retroalimentación multinivel (FB)

Multilevel FeedbackMultitarea preventivaSe crea no una, sino varias colas de procesos listos

Cada cola con un distinto nivel de prioridad, CP

El despachador toma el proceso al frente de la cola demás prioridadTras n ejecuciones, el proceso es degradado a CP+1

Favorece a los procesos cortosTerminan su trabajo sin ser marcados como de prioridadinferior

El algoritmo es baratoSólo hay que actualizar a un proceso a cada ejecución, yevaluar un número limitado de colas





Figura: Retroalimentación multinivel (FB) básica. En la líneasuperior al proceso se muestra la cola antes del quantum en que seejecuta.





Fenómenos observados:

Al tick 8, 10, 11, 13, 14, el despachador interrumpe al procesoactivo y lo vuelve a programar

En una implementación ingenua, esto causa un cambio decontexto

Burocracia innecesaria

¿Puede prevenirse esta interrupción?





Proceso Inicio Fin T E PA 0 7 7 4 1.7B 1 18 17 12 3.4C 3 6 3 1 1.5D 9 19 10 5 2.0E 12 20 8 3 1.6Promedio 9 5 2.04





¡Pero todos los números apuntan a que es una peorestrategia que las anteriores!Los únicos beneficiados son los recién llegados

Entran a la cola de mayor prioridadUn proceso largo, a mayor ρ, enfrenta inanición

El rendimiento del algoritmo puede ajustarse con dosvariables básicas:

n Cuántas ejecuciones para ser degradado aCP+1

Q Duración del quantum de las siguientes colasVeamos cómo se comporta cuando:

Mantenemos n = 1Q = 2nq (donde q es la duración del quantum base)





Figura: Retroalimentación multinivel (FB) con Q exponencial





Fenómenos observados:

Aunque FB favorece a los procesos recién llegados, al tick3, 9 y 10 los procesos que llegan son puestos en espera

Llegaron a la mitad del quantum largo de otro proceso





Proceso Inicio Fin T E PA 0 4 4 1 1.3B 1 10 9 4 1.8C 4 8 5 3 2.5D 10 18 9 4 1.8E 13 20 8 3 1.6Promedio 7 3 1.8





Con Q exponencial, los promedios resultan inclusomejores que ronda

Típicamente los incrementos son más suaves — Q = nqo incluso q = q log(n)Un proceso largo con Q exponencial puede causarinanición por largo tiempo

Para evitar la inanición ante un ρ alto, puede considerarsela retroalimentación en sentido inverso

Si un proceso largo es degradado a CP y pasa demasiadotiempo sin ejecutarse, promoverlo de vuelta a CP−1





El mecanismo es muy flexible, y permite muchas mejoríassimplesHoy en día es empleado por muchos de los principalessistemas operativos

FreeBSD, Linux (pre-2.6), MacOS X, NetBSD, Solaris,Windows (2000 en adelante) (ref: Wikipedia “Schedulingalgorithm”)Con diferentes parámetros y prioridades




Ronda egoísta (SRR)

Selfish Round RobinMultitarea preventivaFavorece a los proesos que ya llevan tiempo ejecutandosobre los recién llegados

Un proeso nuevo se forma en la cola de procesos nuevos,el despachador avanza sólo sobre los procesos aceptados

Parámetros ajustables:a Ritmo de incremento de prioridad deprocesos aceptados

b Ritmo de incremento de prioridad deprocesos nuevos

Cuando la prioridad de un proceso nuevo alcanza a la deuno aceptado, éste se acepta.





Figura: Ronda egoísta (SRR) con a = 2 y b = 1





Mientras ba < 1:

Los procesos nuevos serán aceptados eventualmenteSi el control va alternando entre dos procesos, suprioridad se mantendrá igual, y serán despachados porronda simple

Si ba ≥ 1, el proceso en ejecución terminará antes de que

se acepte el nuevo → Tiende a FCFSSi b

a = 0 (esto es, si b = 0)Los procesos recién llegados son aceptadosinmediatamente → Tiende a ronda

Si 0 < ba < 1, la ronda es relativamente egoísta

Se da entrada a procesos nuevosIncluso si hay procesos muy largos ejecutando




Clasificando a los distintos esquemas

Los siete algoritmos presentados pueden caracterizarse sobredos descriptores primarios

Tipo de multitarea si el esquema está planteado para operarbajo multitarea preventiva o cooperativa

Emplea información intrínseca Si, para tomar cada decsión deplanificación, emplean información propia(intrínseca) a los procesos evaluados, o no —Esto es, si el historial de ejecución de un procesotiene impacto en cómo será planificado a futuro.




Clasificando a los distintos esquemas

Cuadro: Caracterización de los mecanismos de planificación a cortoplazo

No considera Consideraintrínseca intrínseca

Cooperativa Primero llegado Proceso másprimero servido corto (SPN),(FCFS) Proceso más

penalizado (HPRN)Preventiva Ronda (RR) Proceso más corto

preventivo (PSPN),Retroalimentación (FB),Ronda egoísta (SRR)




Índice

1 Introducción

2 Métricas






Esquemas híbridos

Los esquemas de planificación empleados normalmenteusan mezclas de los algoritmos presentadosPermite emplear el algoritmo que más ventajas presenteante una situación dada

Y evitar algunas de sus deficiencias




Esquemas híbridos: Algoritmo por cola en FB

Manejamos varias colas en un esquema FBCada cola usa internamente un algoritmo distinto paraelegir el proceso que está a la cabeza. Algunas ideas comoejemplo:

Una cola bajo PSPN: Empuja a los procesos más largoshacia colas que sean interrumpidas con menor frecuenciaEmplear SRR para las colas de menor prioridad

Sus procesos ya esperaron mucho para tener respuesta;cuando obtienen el procesador, avanzan lo máságilmente posiblePero no obstaculizan a los procesos cortos que vanllegando




Esquemas híbridos: Dependientes del estado delsistema

Podemos considerar también información extrínseca paradespachar

Información externa al estado y ejecución de cada uno delos procesosInformación dependiente del estado del sistema, del tipode usuario, etc.

A continuación, algunos ejemplos




Preventiva o cooperativa, dependiendo de ρ

Si los procesos son en promedio cortos y ρ < 1Métodos con la mínima sobrecarga administrativa (FCFSo SPN)O un RR con quantum muy largo (evitando losproblemas de la multitarea cooperativa)

Si los procesos tienden a ser más largos o si sube ρCambiamos a RR con un quantum más bajo o a PSPN




Ronda con quantum dependiente de procesospendientes

Esquema simple de rondaLa duración de un quantum es ajustada periódicamenteCada quantum depende de la cantidad de procesos en eltotal de procesos listos, siguiendo Q = q

n

Pocos procesos esperandoMayor Q → Menos cambios de contexto

Muchos procesos esperandoMenor QNunca más allá de un minimo, para evitar sobrecargaburocrática




Ronda + Prioridad externa

Usamos un esquema simple de ronda, con una sola colaLa duración del quantum dependerá de la prioridadexterna

Fijada por el usuario o por el sistema por factores ajenosal despachador

Un proceso de mayor prioridad ejecutará por mayortiempo




Peor servicio a continuacion (WSN)

Generalización sobre HPRNNo sólo se considera penalización el tiempo esperado enla cola de procesos listos

Veces que ha sido interrumpido por el temporizadorPrioridad externaEspera por E/S u otros recursos

El proceso que ha sufrido peor servicio es seleccionadopara su ejecuciónDesventaja: Considerar demasiados factores (con distintospesos) impacta en el tiempo de ejecución del algoritmo

Puede llamarse a WSN periódicamente para formar colasProceder con esquemas más simples. . . Aunque esto reduce la velocidad de reacción




Lindura (niceness)

Empleado por varios Unixes históricosEl usuario inicia (nice) o modifica (renice) laprioridad de su proceso

Típicamente sólo hacia arriba — Se porta más lindo.Esta prioridad externa y el tiempo consumidorecientemente por el proceso constituyen una prioridadinternaLa prioridad interna aumenta cuando el proceso espera

Por el despachador, por E/S, o cualquier otra causaLa prioridad interna es matizada por el tamaño de la colade procesos listos

Entre más procesos pendientes, mayor el peso quemodifique a la prioridad




. . . ¡Hora de otra tarea!

Implementar y comparar los algoritmos más sencillosEn su lenguaje favoritoFCFS, RR (¿duración de quantum?), SPN¿Quieren divertirse? FB, SRR, alguno más

Bajo algunas cargas, no sólo sobre una carga ejemploGeneradas de forma aleatoria

Presentar los resultados de varias ejecucionesUnos cinco resultados, para poder comparar un poco lastendencias¡Verifiquen manualmente algunos de los resultados!

(Y claro: Presentar el código)Entrega vía EDUCAFI: una semana desde hoy




Ejemplo de resultados

1 $ compara_planif2 - Primera ronda:3 A: 0, t=3; B: 1, t=5; C: 3, t=2; D: 9, t=5; E: 12, t=5

(tot:20)4 FCFS: T=6.2, E=2.2, P=1.745 RR1: T=7.6, E=3.6, P=1.986 RR4: T=7.2, E=3.2, P=1.887 SPN: T=5.6, E=1.6, P=1.328 - Segunda ronda9 A: 0, t=5; B: 3, t=3; C: 3, t=7; D: 7, t=4; E:8, t=4 (tot:23)10 (...)


08 algoritmos planif proc

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