SO-04 Escalonamento de Processos

Processos

Escalonamento da CPU

 Conceitos Básicos
 Escalonamento de Processador
 Critérios de Escalonamento
 Escalonamento Não Preemptivo
 Escalonamento Preemptivo
 Mecanismos de Interrupção em Intervalos de Tempo
 Prioridades
 Algoritmos de Escalonamento
 Escalonamento para Vários Processadores
 Escalonamento em Tempo Real
 Estudo de Casos: Escalonamento no Unix, Windows XP,
Linux e de Threads

Eduardo Nicola F. Zagari
2
Escalonamento de CPU

 Multiprogramação: corresponde a diversos programas distintos
executando em um mesmo processador
 maximiza utilização da CPU
 No entanto, somente um processo é executado a cada instante
em um processador
 Toda vez que um processo tiver que esperar (evento ou E/S)
outro processo usa a CPU (“ciclo de vida” de um processo)
 A execução de um processo consiste de um ciclo de execução de
CPU e espera de I/O
escalonado
pronto execução
interrupção
Escalonador
espera
E/S ou evento bloqueado por E/S
ou evento
3

4

 Conhecido como Escalonador de Processsos
 Determina/Escolhe, dentre os processos que estão em memória,
qual processo será associado a uma CPU, quando esta estiver
disponível
 Age sobre os processos prontos para executar (processos do
estado de pronto)
 Segue uma política de escolha
 Executado várias vezes por segundo
 Reside permanentemente na memória

5

 Situação para escalonamento:
 processo passa do estado em execução para pronto
 processo passa de em execução para espera/bloqueado
 processo passa de espera/bloqueado para pronto
 processo termina
 Preempção: é quando um processo em estado de pronto tem
precedência sobre o que está usando a CPU.
 Escalonamenteo Não-Preemptivo: não contempla as
preempções, isto é, o escalonador não interrompe os processos
que estão em execução.
 Escalonamento Preemptivo: que contempla a preempção das
tarefas, isto é, provoca uma interrupção forçada de um processo
para que outro, com a preempção, possa usar a CPU.

6

 Determina qual processo no estado pronto para executar será
associado a uma CPU, quando esta estiver disponível
 É executado várias vezes por segundo
 Reside permanentemente na memória

7

 Determina quais os processos que poderão competir pela CPU
 Responsável pela suspensão e ativação de processos, o que
signiﬁca ﬂutuações na carga do sistema visando um melhor
balanceamento
 Atua como um buffer entre a admissão de jobs e a associação
da CPU aos processos que constituem os jobs admitidos
 Job: é um conjunto de atividades necessárias para a realização
do trabalho computacional requerido por um usuário (divide-se
em diversos steps (passos) )

8

 Determina quais jobs serão admitidos e poderão competir pelos
recursos do sistema (admission scheduling)
 Permite que não existam jobs em demasia no sistema, o que
acarretaria uma eterna competição pelos recursos
 Todo job, uma vez admitido, acarreta na criação de um ou mais
processos

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 O módulo Dispatcher dá o controle da CPU para o processo
selecionado pelo escalonador de curto prazo. Isto envolve:
 Troca de contexto
 Mudança do processador para o Modo Usuário
 Salto para a localização adequada no programa do usuário para o
seu reinício
 Latência de Despacho – tempo que leva para o dispatcher parar
um processo e reiniciar a execução de outro

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 Utilização da CPU: % do tempo que a CPU fica ocupada (0 -
100%)
 Throughput: número de processos completados por unidade de
tempo
 Turnaround: intervalo de tempo entre a submissão de um
processo e sua finalização (soma dos intervalos esperando
para ser carregado na memória, fila de pronto, em execução e
em espera)
 Tempo de espera: tempo que cada processo fica na fila de
pronto
 Tempo de resposta: tempo que o processo demora para
produzir alguma resposta à uma requisição (importante para
processos interativos)

 É desejável maximizar os 2 primeiros e minimizar os 3 últimos
 Para sistemas interativos, é importante minimizar a variância do
tempo de resposta (previsibilidade)

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 Objetivos das políticas de escalonamento:
 maximizar a utilização da CPU
 maximizar o throughput
 minimizar o turnaround
 minimizar o tempo de espera
 minimizar o tempo de resposta
 ser justa
 maximizar o número de usuários interativos
 ser previsível
 minimizar o uso de recursos
 balancear o uso de recursos
 balancear usuários interativos com os demais
 priorizar processo que segurem recursos chave
 não degradar o sistema
 etc

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 Não permite a retirada da CPU de um processo após este tê-la
conseguido
 Tempo de resposta é mais previsível

É mais justo?

 Processos curtos precisam esperar pelos longos
 Permite monopolização da CPU

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 Permite que a CPU seja retirada de um processo para ser
entregue a outro
 Garante que os processos possam progredir uniformemente
 Não permite a monopolização da CPU
 Usado para:
 atendimento rápido de processos mais importantes
 tratamento de interrupções em sistemas de tempo real
 atender os usuários em sistemas de tempo compartilhado
 A mudança de contexto envolve sobrecarga

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 Para prevenir processos do usuário de monopolizar o sistema
(CPU), por acidente ou de propósito, uma interrupção por tempo
é usada
quantum ou time-slice

 é o tempo limite para uso da CPU, após o qual ocorre a
interrupção por tempo
 Um processo do usuário, uma vez interrompido por término do
seu quantum, volta à ﬁla de pronto para executar e permite o
escalonamento de outro processo
 Um processo em execução mantém controle sobre a CPU até:
 voluntariamente liberá-la
 quantum time expirado
 outra interrupção exija atenção da CPU para que seja tratada
 erro de execução

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 Podem ser ﬁxas (estáticas) durante a vida do processo ou
modiﬁcáveis (dinâmicas)
 Podem ser associadas externamente ou de maneira automática
 Podem ser calculadas e associadas de forma racional ou
arbitrária

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 FIFO (First-In First-Out) (também conhecido por FCFS (First-
Come First-Served))
 SJF (Shortest Job First)
 Round-Robin
 SRT (Shortest Remaining Time)
 Prioridade
 Múltiplas Filas
 Múltiplas Filas com Realimentação
 Escalonamento para Vários Processadores
 Escalonamento de Tempo Real
 Earliest Deadline

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 Não preemptivo (Uma vez em execução, é executado até o
término)
 O processo que chegar primeiro (first-in) é o primeiro a ser
selecionado para execução (first-out)
 Implementado através de fila
 Inicialmente criado para sistemas batch
 Injusto com jobs curtos (veja exemplos!)
 Ineficiente para sistemas de tempo compartilhado
 Combinado com outros esquemas

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Suponha que os processos cheguem na ordem P1, P2 e P3

 Turnaround médio = ( 10 + 12 + 14 ) / 3 = 12 u.t.
 Tempo de espera médio = ( 0 + 10 + 12) / 3 = 7,33 u.t.

19

Suponha que os processos cheguem na ordem P2, P3 e P1

 Turnaround médio: ( 14 + 2 + 4 ) / 3 = 6,67 u.t.
 Tempo de espera médio = ( 4 + 0 + 2) / 3 = 2 u.t.

20

 Não preemptivo
 O processo com o menor tempo para ser completado é
escolhido
 quando a informação sobre o tempo de execução não se encontra
disponível deve ser estimado ou usa-se o da última vez
 desempate pode ser, por exemplo, por FIFO
 Reduz tempo médio de espera mais do que isto: SJF é
ótimo, pois dá o tempo de espera mínimo para um dado
conjunto de processos
 No entanto, apresenta uma grande variância no tempo de
espera

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 Turnaround médio FIFO: (6+14+21+24)/4 = 16,25 u.t.
 Tempo de espera médio: (0 + 6 + 14 + 21)/4 = 10,25 u.t.

 Turnaround médio SJF: (3 + 9 + 16 + 24) / 4 = 13 u.t.
 Tempo de espera médio: (3 + 16 + 9 + 0) / 4 = 7 u.t.

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 O processo em execução libera voluntariamente a CPU
retornando para a ﬁla de pronto sem a interrupção do sistema
operacional (não preemptivo)
 Um programa mal escrito pode monopolizar a CPU
 Fila de mensagem é veriﬁcada periodicamente (Win 3.11)

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 Define-se uma unidade de tempo denominada quantum ou time-
slice (usualmente de 10 a 100ms) que corresponde ao tempo
limite para uso da CPU por cada processo
 Após este tempo ter sido passado, o processo sofre preempção
e é colocado no final da fila de pronto
 A fila de pronto é tratada como uma fila circular (FIFO)
 O escalonador “pega” o primeiro processo da fila de pronto para
ser executado e define um timer para o tempo de 1 quantum
 Se o tempo de execução for maior que 1 quantum, o timer gera
uma interrupção e o SO faz o chaveamento de contexto
 Projetado para sistemas de tempo compartilhado
 Se houver n processos na fila de pronto e o tempo do quantum for
q, então cada processo obtém 1/n do tempo da CPU e fatias de no
máximo q unidades de tempo por vez. Nenhum processo espera
por mais que (n-1)q unidades de tempo.

24

 Claramente preemptivo
 O tempo médio de espera é alto
 O desempenho depende do tamanho do quantum
 se for muito grande (inﬁnito) tende a FIFO
 se for muito pequeno, o overhead com ochaveamento de
contexto se torna alto demais...

25

Quantum = 1 u.t.

 Turnaround médio RR: (16 + 8 + 9) /3 = 11 u.t.
 Tipicamente, o turnaround médio é maior que o do SJF, mas o
tempo de resposta é melhor

26

 É a contra-partida preemptiva do SJF
 O processo com menor tempo para ser completado é escolhido
 Um processo em execução é interrompido se um novo processo,
com menor tempo para ser completado aparece na ﬁla de pronto
 Apresenta sobrecarga maior que o SJF
 Variações:
 Tempo para ser completado pequeno
 Tempo para ser completado do processo que chega é pouco
menor

27

 Turnaround médio SRT: ((17-0)+(5-1)+(26-2)+(10-3))/4 = 13 u.t.
 E qual é o turnaround médio se fosse escalonado segundo SJF?
 Resp.: 14,25 u.t.

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 Uma prioridade é associada a cada processo e a CPU é alocada
ao processo de maior prioridade
 SJF é um caso de escalonamento por prioridade em que a
prioridade é maior para os processos de menor tempo de
execução
 A prioridade é geralmente representada por um número (entre
0-7 ou 0-255), mas não existe uma convenção de qual número
(o maior ou o menor) é o de maior prioridade
 Pode ser preemptivo ou não
 SJF é um Escalonamento por Prioridade onde a prioridade é
deﬁnida de acordo com o tempo de CPU estimado do processo

29

 Turnaround médio: (16+1+6+18+19)/4 = 15 u.t.

30

 Prioridade definida:
 internamente: usa alguma quantidade mensurável para computar a
prioridade.

(dinâmica)
 Ex.: memória, arq. abertos, razão I/O por CPU usada
 externamente: importância do processo, departamento de origem,
fatores políticos, hierarquia.

(estática)
 Problema: starvation - processos de baixa prioridade podem
ficar indefinidamente no estado de pronto (IBM 7094 no MIT
processo rodando por 6 anos)
 Solução: aumentar progressivamente a prioridade dos
processos que estão aguardando

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 Os processos são previamente divididos em grupos em função do
tipo de processamento realizado
 Interativo (foreground)
 Batch (background)
 A cada grupo é aplicado um mecanismo de escalonamento
adequado
Alta
Fila de processos
 Interativo – RR
prioridade do sistema
 Batch – FIFO
Fila de processos
Possibilidade de
interativos
starvation
Baixa Fila de processos
prioridade batch

 utra alternativa: time-slices entre ﬁlas (ex.: 80% para os interativos
O
em RR e 20% para os batch em FIFO)

32

 Os processos não permanecem em uma mesma fila até o término
do processamento
 O SO faz um ajuste dinâmico (mecanismo adaptativo) para ajustar
os processos em função do comportamento do sistema
 Os processos não são previamente associados às filas, mas
direcionados pelo sistema entre as diversas filas com base no seu
comportamento
 Parâmetros:
 número de filas,
 algoritmo de escalonamento para cada fila,
 método para mudar (promover ou rebaixar) o processo de fila,
 método para determinar em que fila um processo entra
 Método mais complexo

33

 Um exemplo (existem outras variações):
 Processos novos entram no fim da primeira fila
 Nas filas, os processos são escalonados segundo Round Robin
 O quantum varia de uma fila para outra (aumenta em direção às
últimas, quantum 1 para a primeira, 2 para a segunda, etc)
 Os processos das primeiras filas têm maior prioridade (um processo
não pode ser escolhido, a menos que, as filas anteriores estejam
vazias)
 Um processo em execução é interrompido, caso apareça um processo
em uma das filas anteriores à sua
 Sempre que um processo esgotar seu quantum , ele é suspenso na fila
da próxima classe de prioridade
 Se o processo liberar a CPU, sem preempção, sai da estrutura de filas
 Quando um processo volta à estrutura, é colocado em uma fila de
prioridade mais alta do que estava antes de sair

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Alta Menor
prioridade Fila 1 quantum

Fila 2

Fila 3

...
Baixa Fila N Maior
prioridade quantum

35

 Vantagens de uma política como esta:
 Processos CPU-bound vão caindo em ﬁlas de prioridade mais baixas,
sendo escolhidos para rodar com menos freqüência; no entanto, eles
recebem quanta maiores, necessitando receber a CPU por um número
menor de vezes, o que reduz a quantidade trocas de contexto
 Processos interativos (I/O-bound), normalmente pequenos, são
favorecidos, reduzindo-se o tempo de resposta médio do sistema
 Processos interativos grandes, após interação com usuários, retornam
em ﬁlas de prioridade mais alta
 Problema: pressionar <ENTER> em terminais processando longos
jobs não interativos (CPU-bound)
 Moral da história: implementar uma boa política na prática é
muitíssimo mais difícil do que idealizá-la

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 Escalonamento mais complexo
 Processadores idênticos (homogêneos)
 Compartilhamento de carga (load sharing)
 Fila por processador: processador pode ﬁcar ocioso
 Fila única: compartilhamento de dados (problemas!)
 Abordagens:
 Processamento simétrico
 Cada processador faz seu próprio escalonamento (exclusão
mútua!)
 Mestre-Escravo: processamento assimétrico
 um algoritmo, executado em um processador reservado para
esse ﬁm, é o escalonador dos outros processadores (alivia a
necessidade de compartilhamento de dados)

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 Sistemas de tempo real: requisitos temporais
 Tempo compartilhado puro não funciona
 Hard real-time: requisitos temporais rígidos  requer que uma tarefa
crítica seja completada dentro de um tempo garantido
 Ex.: tráfego aéreo, armas, sistemas médicos, controle industrial,
etc
 Soft real-time: requisitos temporais ﬂexíveis  requer que um processo
crítico receba prioridade sobre outros menos importantes
 Ex.: multimídia, realidade virtual, etc

 Sistemas de TR rígidos: processadores dedicados
 Sistemas de TR ﬂexíveis:
 Implementados com outros esquemas
 Processos críticos devem ter prioridade sobre outros
 Implica na degradação do serviço dos outros usuários

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 Escalonamento baseado em prioridades dinâmicas
 A idéia básica é atribuir sempre a maior prioridade ao processo que
apresentar o prazo mais próximo a expirar (earliest deadline)
 Sempre que um novo processo chega na ﬁla de pronto, são
calculadas e atribuídas novas prioridades a todos
 O Earliest Deadline é um algoritmo ótimo, isto é, o fator de
utilização da CPU é 100%
 Se os processos não forem independentes:
 Problema da Inversão de Prioridades
 Solução: Protocolo de Herança de Prioridade
– Conseqüência: queda no fator de utilização da CPU

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40

 Unix  Sistema de Tempo Compartilhado
 Meta: bom tempo de resposta aos processos interativos
 Escalonamento de 2 níveis
 Escalonador de baixo nível: Filas Múltiplas (prioridade) com
realimentação
 Processos executando em modo kernel: prioridade negativa (que são as
maiores)
 Processos executando em modo usuário: prioridade positiva
 Roda primeiro processo da ﬁla prioritária não vazia  interrupções de
tempo: incremento do contador de utilização da CPU (que aumentará o
valor da prioridade do processo)
 Round-Robin dentro de cada ﬁla
 A cada segundo as prioridades são recalculadas:
 Contadores de uso da CPU divididos por 2
 Nova prioridade = base + nice + contador de uso da CPU
 Processos interativos voltam do bloqueio com prioridade negativa.
41

42

 Dois algoritmos: time-sharing e real-time
 Time-sharing
 Prioridades baseadas em créditos – processo com mais créditos é o
próximo a ser escalonado
 Crédito subtraído quando ocorre uma interrupção por tempo
 Quando crédito = 0, outro processo é escolhido
 Quando todos os processos têm crédito = 0, ocorre
“recarregamento” de créditos
 Baseado em alguns fatores como prioridade e histórico
 Real-time
 Soft real-time (TR Flexível)
 Aderente ao Posix.1b – duas classes
 FIFO e RR
 Processos de maior prioridade sempre executam primeiro

43

 Escalonamento Local – Como a biblioteca de threads decide
qual thread do usuário executar quando há um LWP disponível

 Escalonamento Global – Como o kernel decide qual kernel
thread deve ser a próxima a ser executada

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#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#define NUM THREADS 5
int main(int argc, char *argv[])
{
int i;
pthread t tid[NUM THREADS];
pthread attr t attr;
/* get the default attributes */
pthread attr init(&attr);
/* set the scheduling algorithm to PROCESS or
SYSTEM */
pthread attr setscope(&attr, PTHREAD SCOPE SYSTEM);
/* set the scheduling policy - FIFO, RT, or OTHER */
pthread attr setschedpolicy(&attr, SCHED OTHER);
/* create the threads */
for (i = 0; i < NUM THREADS; i++)
pthread create(&tid[i],&attr,runner,NULL);
45

/* now join on each thread */
for (i = 0; i < NUM THREADS; i++)
pthread join(tid[i], NULL);
}
/* Each thread will begin control in
this function */
void *runner(void *param)
{
printf("I am a threadn");
pthread exit(0);
}

46

 JVM usa um algoritmo de escalonamento baseado em
prioridades e preemptivo

 Uma ﬁla FIFO é usada se houver múltiplas threads com a
mesma prioridade

 JVM escalona uma thread para executar quando:
1. A thread “em execução” sai do estado de “executável”
2. Uma thread de maior prioridade entra no estado “executável”

* Nota – a JVM não especiﬁca se threads são “Time-Sliced” ou não

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Uma vez que a JVM não assegura Time-Slicing, o método yield()
pode ser usado:

while (true) {

// perform CPU-intensive task

. . .

Thread.yield();

}

Isto passa o controle a uma outra thread de igual prioridade

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Prioridade

Comentário
Thread.MIN_PRIORITY

Prioridade Mínima de Thread
Thread.MAX_PRIORITY
Prioridade Máxima de Thread
Thread.NORM_PRIORITY
Prioridade Default de Thread

As prioridades podem ser ajustadas usando-se o método
setPriority():

setPriority(Thread.NORM_PRIORITY + 2);

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