Planificacion de procesos

Sistemas Operativos Modulo 5: Planificación de CPU

• Conceptos Básicos
• Criterios de Planificación
Módulo 5: • Algoritmos de Planificación
• Planificación de Múltiples Procesadores
Planificación de
Pl ifi ió d
• Planificación en Tiempo Real
Procesos • Evaluación de Algoritmos

JRA©2007 Sistemas Operativos – Planificación de Procesos 1 JRA©2007 Sistemas Operativos – Planificación de Procesos 2

Conceptos Básicos Secuencia Alternante de Ráfagas de CPU y
E/S

• Máxima utilización de CPU obtenida con
multiprogramación
• Ciclo CPU–ráfagas de E/S – La ejecución de procesos
consiste de ciclos de ejecución de CPU y esperas en
E/S.
• Distribución de ráfagas de CPU


Histograma de Tiempos de Ráfagas de CPU Planificador de CPU

• Selecciona entre los procesos en memoria que están
listos para ejecutar, y aloca la CPU a uno de ellos.
• La decisión de planificar la CPU puede tener lugar
cuando un proceso:
1. Conmuta de ejecutando a estado de espera.
2. Conmuta de ejecutando a estado de listo.
3. Conmuta de espera a listo.
4. Termina.
• La planificación de 1 y 4 es no apropiativa.
• Las otras planificaciones son apropiativas.


1

Despachador Criterios de Planificación

• El módulo despachador pasa el control de la CPU al • Utilización de CPU – mantener la CPU tan ocupada
proceso seleccionado por el planificador de corto como sea posible
término; esto implica:
– cambio de contexto
• Procesamiento total (Throughput)– número de
procesos que completan sus ejecución por unidad de
– conmutación a modo usuario tiempo.
lt
– salta a l di ió i d l de
la dirección apropiada en el programa d • Tiempo de retorno – cantidad de tiempo para ejecutar
usuario para reiniciarlo un determinado proceso.
• Latencia de despacho – tiempo que toma al • Tiempo de Espera – cantidad de tiempo que un
despachador para detener un proceso e iniciar otro. proceso ha estado esperando en las colas.
• Tiempo de respuesta – cantidad de tiempo que
transcurre desde que fue hecho un requerimiento hasta
que se produce la primer respuesta, no salida.


Planificación Primero-Entrar, Primero-Servido
Criterios de Optimización
(FCFS)
• Ejemplo: Proceso Tiempo de Ráfaga
• Maximizar la utilización de CPU P1 24
• Maximizar el procesamiento total P2 3
• Minimizar el tiempo de retorno P3 3

• Minimizar el tiempo de espera
p p
• Suponer que los procesos llegan en el orden: P1 , P2 , P3
La carta de Gantt para la planificación es:
• Minimizar el tiempo de respuesta
P1 P2 P3

0 24 27 30
• Tiempo de espera para P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27
• Tiempo medio de espera: (0 + 24 + 27)/3 = 17


Planificación FCFS (Cont.) Planificación Job-Mas Corto Primero (SJF)

Suponer que los procesos llegan en el orden • Se asocia con cada proceso la longitud de su próxima
ráfaga de CPU. Se usa estas longitudes para planificar los
P2 , P3 , P1 .
procesos con el tiempo mas corto.
• La carta de Gantt para la planificación es: • Dos esquemas:
– No apropiativo – una vez que la CPU es dada a un
proceso, no puede ser apropiada hasta que el mismo
P2 P3 P1 complete s ráfaga de CPU
su CPU.
– Apropiativo – si un nuevo proceso llega con una
0 3 6 30 longitud de ráfaga de CPU menor que el resto del
• Tiempo de espera para P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3 tiempo de ejecución que le queda al proceso que está
ejecutando entonces se apropia de la CPU. Este
• Tiempo medio de espera: (6 + 0 + 3)/3 = 3 esquema es conocido como El Tiempo Remanente Mas
• Mucho mejor que el caso anterior. Corto Primero (SRTF).
• Efecto Convoy los procesos cortos delante de los procesos largos • SJF es óptimo – da el mínimo tiempo de espera promedio
para un dado conjunto de procesos.

2

Ejemplo de SJF No Apropiativo Ejemplo SJF Apropiativo

Proceso Tiempo de llegada Ráfaga Proceso Tiempo de llegada Ráfaga
P1 0.0 7 P1 0.0 7
P2 2.0 4 P2 2.0 4
P3 4.0 1 P3 4.0 1
P4 5.0 4 P4 5.0 4
• SJF (no apropiativo) • SJF (apropiativo)

P1 P3 P2 P4 P1 P2 P3 P2 4P P1

0 7 8 12 16 0 2 4 5 7 1 16

• Tiempo medio de espera = (0 + 6 + 3 + 7)/4 = 4 • Tiempo medio de espera = (9 + 1 + 0 +2)/4 = 3

Determinando la Longitud de la Próxima
Ejemplos de Promedio Exponencial
Ráfaga de CPU
• Se puede solamente estimar la longitud. • α =0
– τn+1 = τn
• Se puede hacer usando la longitud de las ráfagas de – La historia reciente no cuenta.
CPU previas. Se usa un promedio exponencial.
• α =1
1. tn = actual longitud de la n ma ráfaga de CPU – τn+1 = tn
– Solo la última ráfaga de CPU cuenta
cuenta.
2. τ n +1 = valor predicho para la próxima ráfaga CPU
• Si se expande la fórmula, se tiene:
3. α , 0 ≤ α ≤ 1 τn+1 = α tn+(1 - α) α tn -1 + …
4. Define: +(1 - α )j α tn -1 + …
+(1 - α )n=1 tn τ0
τn+1 =α tn +(1−α)τn. • Dado que α y (1 - α) son menores o iguales a 1, cada término
sucesivo tiene menos peso que su predecesor.


Planificación por Prioridad Round Robin (RR)

• Con cada proceso se asocia un número (entero) • Cada proceso toma una pequeña unidad de tiempo de CPU
(quantum), usualmente 10-100 milisegundos. Luego de
• La CPU es alocada al proceso con prioridad mas alta este tiempo el proceso es quitado de la CPU y agregado a
(entero mas pequeño ⇒ mas alta prioridad o el entero la cola de listos.
mas grande, depende de la convención).
• Si hay n procesos en la cola de listos y el tiempo del
– Apropiativo q
quantum es q, entonces cada proceso toma 1/n del tiempo
p p
– No apropiativo de CPU en rebanadas de a lo sumo q unidades de tiempo a
la vez. Los procesos no esperan mas que (n-1)q unidades
• SJF es un algoritmo planificador con prioridad. de tiempo.
• Problema ⇒Inanición – los procesos de baja prioridad • Rendimiento
pueden no llegar a ejecutarse nunca. – q largo ⇒ Primero-Entrar, Primero-Salir
• Solución ≡ Envejecimiento – se incrementa en el – q chico ⇒ q debe ser grande con respecto al cambio de
tiempo la prioridad de los procesos en espera. contexto, sino la sobrecarga es demasiado grande.


3

Ejemplo: RR con Quantum = 20 Como un Quantum PEQUEÑO Incrementa los Cambios de
Contexto

Proceso Ráfaga
P1 53
P2 17 tiempo de proceso = 10 quantum conmutación
contexto
P3 68
P4 24
• La carta de Gantt:

P1 P2 P3 P4 P1 P3 P4 P1 P3 P3

0 20 37 57 7 97 17 12 134 154 162

• Tipicamente, mas tiempo de retorno promedio que SJF,
pero mejor respuesta.


El Tiempo de Retorno Varia con el Quantum
Colas Multinivel

proceso tiempo
• La cola de listos esta particionada en colas separadas:
foreground (interactive)
background (batch)
• Cada cola tiene su propio algoritmo de planificación,
Tiempo medio de retorno

foreground – RR
background – FCFS
g
d

• La planificación debe ser hecha entre las colas.
– Planificación con prioridad fija; p.e., servir desde el
foreground y luego del background. Posibilidad de
inanición.
– Tajada de tiempo – cada cola tiene una cierta cantidad de
tiempo de CPU que puede planificar entre sus procesos;
p.e., 80% en foreground en RR, 20% en background en
FCFS
tiempo de quantum

Planificación de Colas Multinivel Colas Multinivel Realimentadas

• Un proceso puede moverse entre varias colas.
• El planificador de colas multinivel realimentadas está
definido por los siguientes parámetros:
– Número de colas
– Algoritmos de p
g planificación p
para cada cola
– Método usado para determinar cuando mejorar un
proceso
– Método usado para determinar cuando degradar un
proceso
– Método usado para determinar en que cola entra
un proceso cuando necesita servicio.


4

Colas Multinivel Realimentadas Ejemplo de Colas Multinivel Realimentadas

• Tres colas:
– Q0 – quantum de 8 milisegundos
– Q1 – quantum de 16 milisegundos
– Q2 – FCFS
• Planificación
– Un nuevo job entra a la cola Q0 el cual es servido
FCFS. Cuando gana la CPU, el job recibe 8
milisegundos. Si no finaliza en 8 milisegundos, el
job es movido a la cola Q1.
– En Q1 el job es nuevamente servido FCFS y recibe
16 milisegundos adicionales. Si aún no completa,
es movido a la cola Q2.

Planificación Múltiple-Procesador Planificación Tiempo Real

• La planificación de CPU es mas compleja cuando hay
disponibles múltiples CPUs. • Sistemas de Tiempo Real Duro – requiere completar
tareas críticas en una cantidad de tiempo garantizado.
• Procesadores homogéneos en un multiprocesador.
• Computación de Tiempo Real Blando – requiere que
• Carga compartida los procesos críticos reciban prioridad sobre otros.
• Multiprocesamiento Asimétrico – solo un procesador
accede a las estructuras de datos del sistema,
simplificando el manejo de datos compartidos.


Latencia de Despacho Evaluación de Algoritmos

• Modelo Determinístico – toma una carga de trabajo
evento respuesta al evento predeterminada y define el rendimiento de cada
intervalo de respuesta algoritmo para esa carga.
proceso
procesa
interrupción
disponible • Modelo de colas
latencia de despacho
ejecución
• Implementación
p
proceso en
tiempo real
conflictos despacho

tiempo


5

Evaluación de Planificadores de CPU por
Simulación Planificación Solaris 2


Prioridades Windows 2000 y XP Planificación en UNIX y Linux

La planificación tradicional en UNIX emplea colas multinivel ( los
niveles se definen en bandas de prioridades) usando Round Robin en
cada una de ellas:

CPUj (i )
Pj ( i ) = Basej + + nicej (1)
2

CPUj (i - 1) (2)
CPUj ( i ) =
2


Planificación en UNIX y Linux Planificación en UNIX y Linux

CPUj (i ) = Mide la utilización del procesador por el proceso j en el La prioridad de cada proceso es computada cada segundo (en los
intervalo i. primeros UNIX, hoy es cada quantum).
Pj ( i ) = Prioridad del proceso j en el comienzo del intervalo i; El propósito de la prioridad base es dividir todos los procesos en
valores bajos implican prioridades altas. bandas de niveles de prioridad.
Basej = Prioridad base de p oceso j.
o dad del proceso j
Los
L componentes CPU y nice se utilizan para prevenir que llos
t i tili i
nicej = Factor de ajuste controlable por el usuario procesos migren fuera de su banda asignada (dada por la prioridad
base).
(1) Es utilizada para ajustar dinámicamente la prioridad (producto Estas bandas son utilizadas para optimizar el acceso a los
del uso de CPU). dispositivos que se manejan con bloques de información (discos,
(2) Es usada para implementar el “envejecimiento” cuando el cintas, CD, etc) y permitir al sistema operativo responder rapidamente
proceso espera. Así evita la inanición. a las llamadas al sistema.


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Planificación en UNIX y Linux

En orden decreciente de prioridad, las bandas son:
Swapper.
Control de dispositivos de E/S en bloques.
p
Manipulación de archivos.
Control de dispositivos de E/S por caracteres.
Procesos de usuarios.
Dentro de la banda de procesos de usuario, el uso de la historia
de ejecución tiende a penalizar a los procesos limitados por
procesador a expensas de los procesos limitados por E/S.

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