Sistemas Operativos I

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1 Sistemas Operativos I Parte 3 Arnoldo Díaz Ramírez Septiembre de 2007

2 Unidad 3 Planificación

3 Planificación El planificador es un módulo del sistema operativo que asigna tiempo de CPU a los procesos activos A la política que utiliza el planificador para hacer la asignación de tiempo de CPU se le conoce como algoritmo de planificación o política de planificación Linux utiliza un algoritmo de planificación que tiene como objetivo una distribución equitativa del tiempo de CPU entre los procesos activos en el sistema El algoritmo de planificación utilizado por Linux se basa en la técnica de compartir tiempo (time sharing) y consiste en dividir el tiempo de CPU en trozos o porciones (slice o quantum) y asignarlo entre los procesos activos

4 Clasificación de procesos Los procesos pueden ser clasificados en: I/O-bound.- Utilizan intensivamente los dispositivos de entrada/salida (b) CPU-bound.- Utilizan intensivamente tiempo de cómputo (a)

5 Instantes de planificación Un instante de planificación es aquél en el cuál el planificador tiene que decidir qué tarea debe ejecutarse Los instantes de planificación existen cuando: Concluye la ejecución de un proceso o hilo Un proceso se bloquea Se crea un nuevo proceso o hilo Ocurre una interrupción de I/O Ocurre una interrupción de reloj

6 Algoritmos de planificación Los algoritmos de planificación pueden ser clasificados en: Expulsivos.- las tareas pueden ser expulsadas del procesador antes de concluir su ejecución No expulsivos.- las tareas NO son expulsadas del procesador antes de concluir su ejecución Los procesos, al ser planificados, pueden ejecutarse en alguno de los siguientes entornos: Procesamiento por lotes (batch).- No requieren de interacción con el usuario Interactivos.- Tienen constante interacción con el usuario Tiempo-real.- Deben ejecutarse en un tiempo determinado y tienen restricciones temporales que deben satisfacerse

7 Objetivos de los algoritmos de planificación Los objetivos de los algoritmos de planificación dependen del tipo de sistema: Para sistemas por lotes: Maximizar el número de procesos ejecutados por unidad de tiempo Minimizar el tiempo de respuesta de ejecución de los procesos Mantener la CPU ocupada la mayor parte del tiempo Para sistemas interactivos: Reducir el tiempo de respuesta Cumplir las expectativas de los usuarios Para sistemas de tiempo-real: Ejecutar tareas antes de su plazo Evitar degradación de la calidad en aplicaciones multimedia

8 Algoritmos de planificación (1/3) Sistemas por Lotes First-Come First-Served (primero en llegar primero en ser atendido) No expulsivo Las tareas son atendidas en el orden en que se activan Fácil de implementar ya que se necesita tan sólo mantener una lista de tareas activas Una tarea puede cpu-bound puede retrasar la ejecución de tareas i/o-bound Shortest Job First (primero la tarea mas corta) No expulsivo Se calcula el plan de ejecución off-line Mejora el tiempo de respuesta promedio con respecto al anterior a) First-Come First-Served b) Shortes Job First

9 Algoritmos de planificación (2/2) Sistemas por Lotes Shortest Remaining Time Next (primero la tarea con menor tiempo de ejecución restante) Expulsivo En cada instante de planificación se elige a la tarea a la que quede el menor tiempo de ejecución Cuando alguna tarea se activa, se compara su tiempo de ejecución con el tiempo de ejecución restante de la tarea actual, y si es menor el tiempo de ejecución de la nueva tarea la actual es expulsada del procesador Este esquema permite que las tareas pequeñas tengan un mejor tiempo de respuesta

10 Algoritmos de planificación (3/3) Sistemas por Lotes Three-level scheduling (planificación de tres niveles) Tiene tres componentes básicos: planificador de admisión planificador de CPU planificador de Memoria Cuál tarea debe utilizar el procesador? Cuáles tareas deben pasar de disco a memoria principal? Cuáles tareas deben ser aceptadas?

11 Algoritmos de planificación (1/4) Sistemas interactivos Round-Robin Expulsivo A cada tarea se le asigna un tiempo máximo de ejecución, llamado quantum Si alguna tarea consume su quantum, es expulsada del procesador y colocada al final de la lista de tareas activas La definición del tamaño del quantum es importante a) lista de tareas activas b) lista de tareas activas después de que B ha consumido su quantum

12 Algoritmos de planificación (2/4) Sistemas interactivos Priority Scheduling (planificación basada en prioridades) Expulsivo A cada tarea se le asigna un nivel de prioridad, que representa su importancia Las prioridades de las tareas pueden asignarse de manera estática o dinámica estática.- la prioridad de cada tarea no cambia durante la ejecución del sistema dinámica.- la prioridad de cada tarea puede cambiar durante la ejecución del sistema

13 Algoritmos de planificación (3/4) Sistemas interactivos Guaranteed Scheduling (planificación garantizada) Expulsivo El algoritmo garantiza la asignación equitativa del tiempo de procesador entre las tareas Lleva control del tiempo de CPU utilizado por cada tarea Lottery Scheduling (planificación lotería) Expulsivo El planificador asigna boletos de lotería a las tareas Cada boleto de lotería permite el acceso a un recurso Una tarea puede tener mas de un boleto para el mismo recurso

14 Algoritmos de planificación (4/4) Sistemas interactivos Fair-Share Scheduling (planificación justa) Expulsivo El algoritmo garantiza la asignación equitativa del tiempo de procesador entre los usuarios El tiempo asignado al usuario es dividido entre sus tareas

15 Sistemas de tiempo-real Un sistema de tiempo-real es evaluado no sólo por la exactitud de sus resultados, sino también por el tiempo en que los resultados se generan las tareas de tiempo-real tienen un tiempo límite para concluir su ejecución (plazo o deadline) Los sistemas de tiempo-real se clasifican en: Críticos (hard).- si sus tareas no se ejecutan antes de sus plazos los resultados son catastróficos No Críticos (soft).- se busca que las tareas se ejecuten antes de sus plazos, pero si no lo consiguen no existen riesgos

16 Tareas de tiempo-real Las tareas de tiempo-real tienen los siguientes parámetros: c i.- tiempo de ejecución en el peor caso r i.- tiempo de liberación ϕ i.- fase p i.- periodo d i.- plazo o deadline

17 Algoritmos de planificación (1/2) Sistemas de tiempo-real Rate Monotonic Expulsivo Estático (el valor de prioridad de las tareas no cambia durante la ejecución del sistema) A cada tarea se le asigna un valor de prioridad inversamente proporcional a su periodo la tarea con menor periodo, o la tarea mas frecuente, es siempre la mas prioritaria Utilización máxima del procesador 85%

18 Algoritmos de planificación (2/2) Sistemas de tiempo-real Eearliest Deadline First Expulsivo Dinámico (el valor de prioridad de las tareas puede cambiar durante la ejecución del sistema) En cada instante de planificación, la tarea mas prioritaria es la que tenga el plazo (deadline) menor Utilización máxima del procesador 100%

19 Planificación en Linux Linux utiliza un planificador basado en la noción de prioridad, que indica la importancia del proceso. Entre mayor sea la prioridad, más importante es el proceso. El planificador elige para ejecución al proceso con la mayor prioridad En Linux, la prioridad de los procesos se asigna de manera dinámica, lo que significa que su valor cambia en el tiempo La definición de la prioridad de un proceso depende del uso de CPU del proceso en el pasado. Si el proceso ha utilizado poco tiempo de CPU, Linux eleva su valor de prioridad para que pueda ser ejecutado inmediatamente, buscando así una distribución equitativa del tiempo de CPU

20 API POSIX para la planificación nice() getpriority() setpriority() sched_getscheduler() sched_setscheduler() sched_getparam() sched_setparam() sched_yield() sched_getpriority_max() sched_getpriority_min() sched_rr_get_interval() Cambia la prioridad estática de un proceso, grupo o usuario Obtiene la prioridad estática de un proceso, grupo o usuario Establece la prioridad estática de un proceso, grupo o usuario Obtiene la política de planificación de un proceso Establece la política de planificación de un proceso Obtiene los parámetros de planificación de un proceso (tiempo-real) Establece los parámetros de planificación de un proceso (tiempo-real) Obliga al thread a que ceda el procesador Obtiene el máximo valor de prioridad para una política determinada Obtiene el mínimo valor de prioridad para una política determinada Obtiene el máximo valor de quatum para la política Round Robin

21 Algoritmos de planificación Linux El planificador debe decidir cuál es el siguiente proceso por ejecutar cuando un proceso suspende o concluye su ejecución El planificador de Linux 2.6 selecciona el nuevo proceso por ejecutar en tiempo constante (independiente del número de procesos) En Linux, cada proceso es siempre planificado con alguna de las siguientes políticas de planificación: SCHED_FIFO.- procesos de tiempo-real que siguen la disciplina First-In, First-Out al mismo nivel de prioridad SCHED_RR.- procesos de tiempo-real que siguen la disciplina Round Robin al mismo nivel de prioridad SCHED_NORMAL.- Procesos convencionales SCHED_BATCH.- Procesos convencionales, que se procesador esta inactivo (staircase scheduler) ejecutan cuando el

22 Planificación Linux (1/2) Otra característica del planificador de Linux es que es del tipo expulsivo (preemptable), lo que significa que si algún proceso se activa con una prioridad mayor a la del proceso que está ejecución, se expulsa al proceso actual y se ejecuta al proceso mas prioritario Cuando no existen procesos activos, el planificador ejecuta al proceso inactivo o proceso 0 (idle process o swapper process, proceso con PID = 0) Por otra parte, la duración del quantum de ejecución es crítica para el desempeño del sistema. Linux asigna una prioridad fija a cada proceso y calcula el valor del quantum de la siguiente manera: quantum = (140 prioridad estática) x 20, si la prioridad es < 120 (140 prioridad estática) x 5, si la prioridad es 120

23 Planificación Linux (2/2) La prioridad fija de un proceso se hereda del proceso padre, y puede modificarse utilizando las llamadas al sistema nice() y setpriority() Por otra parte, Se ha comentado que los procesos son planificados en base a una prioridad dinámica, cuyo valor varía desde 100 (mas alta prioridad) hasta 139 (mas baja prioridad) La prioridad dinámica se calcula con la siguiente fórmula: prioridad dinámica = max (100, min (prioridad estática bono + 5,139)) El valor de bono varía entre 0 y 10. Su valor final depende del average sleep time (tiempo promedio de inactividad) del proceso Un proceso es considerado interactivo si satisface lo siguiente: prioridad dinámica 3 - prioridad estática /4 +28

24 Funciones de planificación Algunas de las funciones utilizadas por el planificador son las siguientes: scheduler_tick().- mantiene actualizado del tiempo de ejecución del proceso actual try_to_wake_up().- activa un proceso dormido recalc_task_prio().- actualiza la prioridad dinámica de un proceso schedule().- selecciona al nuevo proceso por ejecutar load_balance().- mantiene balanceadas las colas de ejecución en sistemas multiprocesadores

25 Función schedule() (1/4) La función inicia inhabilitando la expulsión del núcleo e iniciando algunas variables: need_resched: preempt_disable(); prev = current; release_kernel_lock( prev ); need_resched_nonpreemptible: rq = this_rq(); Calcula el tiempo de CPU utilizado por prev now = sched_clock(); if ( likely (( long long )( now prev->timestamp ) < NS_MAX_SLEEP_AVG)) { run_time = now - prev->timestamp; if ( unlikely (( long long )( now prev->timestamp ) < 0)) run_time = 0; } else run_time = NS_MAX_SLEEP_AVG; run_time /= ( CURRENT_BONUS( prev )? : 1 );

26 Función schedule() (2/4) Revisa el status de prev: switch_count = &prev->nivcsw; if (prev->state &&!(preempt_count() & PREEMPT_ACTIVE)) { } switch_count = &prev->nvcsw; if (unlikely((prev->state & TASK_INTERRUPTIBLE) && else { } unlikely(signal_pending(prev)))) prev->state = TASK_RUNNING; if (prev->state == TASK_UNINTERRUPTIBLE) rq->nr_uninterruptible++; deactivate_task(prev, rq);

27 Función schedule() (3/4) Se selecciona siguiente proceso por ejecutar: go_idle: cpu = smp_processor_id(); if ( unlikely (! rq->nr_running ) ) { idle_balance(cpu, rq); if (! rq->nr_running ) { next = rq->idle; rq->expired_timestamp = 0; wake_sleeping_dependent(cpu, rq); if (! rq->nr_running ) goto switch_tasks; } } else { if ( dependent_sleeper(cpu, rq)) { next = rq->idle; goto switch_tasks; } if ( unlikely (! rq->nr_running ) ) goto go_idle; }

28 Función schedule() (4/4) Se lleva a cabo el cambio de contexto: switch_tasks: if ( next == rq->idle) schedstat_inc(rq, sched_goidle); prefetch(next); prefetch_stack(next); clear_tsk_need_resched(prev); rcu_qsctr_inc(task_cpu(prev)); update_cpu_clock(prev, rq, now); prev->sleep_avg -= run_time; if ((long) prev->sleep_avg <= 0) prev->sleep_avg = 0; prev->timestamp = prev->last_ran = now; sched_info_switch( prev, next ); if ( likely( prev!= next)) { next->timestamp = now; rq->nr_switches++; rq->curr = next; ++*switch_count; prepare_task_switch( rq, next ); prev = context_switch( rq, prev, next); barrier(); finish_task_switch(this_rq(), prev); } else spin_unlock_irq( &rq->lock );

29 Cambio de contexto (1/2) Es común que algún proceso suspenda su ejecución para reanudarla posteriormente El proceso puede suspenderse por que se asigna el procesador a otro proceso más prioritario, por que el proceso se bloquee en espera de un dispositivo, por que consuma su quantum de ejecución, por que espere que otro proceso libere un recurso que necesite, entre otras causas El núcleo debe garantizar que la ejecución del proceso se reanude en el punto en el que se suspendió A la actividad de suspender la ejecución de un proceso para iniciar la ejecución de otro proceso se le conoce como cambio de contexto (context switch)

30 Cambio de contexto (2/2) A pesar de que cada proceso tiene asignado un espacio de direcciones exclusivo, todos los procesos deben compartir los registros del (los) procesador(es) Antes de que un proceso reanude su ejecución, el núcleo debe cargar el contenido de los registros del procesador con los valores que tenían cuando el proceso fue suspendido Al conjunto de datos que deben ser cargados en los registros del procesador antes de que el proceso reanude su ejecución se le llama contexto de hardware En Linux, parte del contexto de hardware de un proceso es almacenado en el descriptor del proceso, mientras el resto se almacena en la pila del modo del núcleo (kernel mode stack)

31 Contexto de hardware A pesar de que cada proceso tiene asignado un espacio de direcciones exclusivo, todos los procesos deben compartir los registros del (los) procesador(es) Antes de que un proceso reanude su ejecución, el núcleo debe cargar el contenido de los registros del procesador con los valores que tenían cuando el proceso fue suspendido Al conjunto de datos que deben ser cargados en los registros del procesador antes de que el proceso reanude su ejecución se le llama contexto de hardware En Linux, parte del contexto de hardware de un proceso es almacenado en el descriptor del proceso, mientras el resto se almacena en la pila del modo del núcleo (kernel mode stack)

32 Cambio de contexto en Linux El cambio de contexto se define como la actividad consistente en almacenar el contexto de hardware del proceso que suspende ejecución y reemplazarlo con el contexto de hardware del proceso que reanudará la suya Las versiones anteriores de Linux hacen uso del soporte que ofrecen algunos procesadores para llevar a cabo el cambio de contexto A partir de la versión 2.6 de Linux, el cambio de contexto se lleva a cabo por medio de software El cambio de contexto ocurre únicamente en modo del núcleo

33 Función context_switch() static inline task_t * context_switch( runqueue_t *rq, task_t *prev, task_t *next) { struct mm_struct *mm = next->mm; struct mm_struct *oldmm = prev->active_mm; } if ( unlikely (! mm )) { next->active_mm = oldmm; atomic_inc ( &oldmm->mm_count ); enter_lazy_tlb ( oldmm, next ); } else switch_mm ( oldmm, mm, next ); if ( unlikely (! prev->mm ) ) { prev->active_mm = NULL; WARN_ON(rq->prev_mm); rq->prev_mm = oldmm; } /* Here we just switch the register state and the stack. */ switch_to(prev, next, prev); return prev;

34 Algoritmos de planificación POSIX Por otra parte, POSIX define las siguientes políticas de planificación: SCHED_FIFO.- procesos de tiempo-real que siguen la disciplina First-In, First- Out al mismo nivel de prioridad SCHED_RR.- procesos de tiempo-real que siguen la disciplina Round Robin al mismo nivel de prioridad SCHED_OTHER.- Procesos convencionales SCHED_SPORADIC.- Procesos planificados por la política de Servidor Esporádico (tareas esporádicas)

35 Fin de la Parte 3

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