escalonamento de cpu

8/18/2019 Escalonamento de CPU

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Sistemas Operacionais com Java

Silberschatz, Galvin e Gagne (c) 2003

Aula 6

Capítulo 6 – Escalonamento de CPU

• 6.1 Conceitos básicos

• 6.2 Critérios de Escalonamento

• 6.3 Algoritmos de Escalonamento


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6.1 Conceitos Básicos

• Em um sistema monoprocessado s umprocesso pode ser executado de cada vez.

• Se houver mais processos, o restante ter de esperar

que a CPU esteja livre e possa se reescalonada.

• O objetivo da multiprograma ão ter algum processoem execu ão durante todos os momentos, paramaximizar a utiliza ão da CPU.


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6.1 Conceitos Básicos

• Com a multiprogramação, tentamos usar esse tempode forma produtiva.

• Diversos processos são mantidos na memória ao

mesmo tempo. Quando um processo precisa esperar,o SO afasta a CPU desse processo e dá a CPU aoutro processo.

• O escalonamento é uma função fundamental do SO.

Quase todos os recursos são escalonados antes douso.


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• A execu ão de um processo consiste em um ciclo deexecu ão da CPU e espera por E/S.

• Os processos alternam entre esses dois estados.

• A execução do processo come a com um burst deCPU se segue com um burst de E/S, que por sua vez,

seguido por outro burst de CPU e assim por diante.

•

Por fim, o burst de CPU final termina com umarequisição do sistema para encerrar a execu ão.

6.1.1 Ciclo de Burst (surto) CPU – E/S


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6.1.1 Ciclo de Burst CPU – E/S

S O


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• A curva geralmente é caracterizada como exponencialou hiperexponencial – veja figura a seguir.

• Existe um grande número de bursts de CPU curtos e

um número pequeno de bursts de CPU longos.• Um programa I/O-bound (limitado por E/S) geralmente

terá muitos bursts de CPU curtos.

•

Um programa CPU-bound (limitado por CPU) poderáter alguns bursts de CPU longos.


Si t O i i J


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Si t O i i J


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• Quando a CPU fica ociosa o SO dever escolher umprocesso dentre os processos que estão na fila deprontos para ser executado.

• O processo de sele ão executado peloescalonador de curto prazo ou escalonador deCPU.

6.1.2 Escalonador de CPU

Si t O i i J


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• O escalonador seleciona um processo entre ospresentes na mem ria que estão prontos paraexecu ão, e o aloca CPU.

• Não necessariamente a fila de processos prontosuma fila FIFO (primeiro a entrar, primeiro a sair).

• Podemos organizar a fila de prontos usando v riasestrat gias como veremos mais adiante.

6.1.2 Escalonador de CPU

Sistemas Operacionais com Ja a


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• As decisões de escalonamento de CPU podemocorrer sob as quatro circunstâncias a seguir:

1. Quando um processo passa do estado executando para o

estado esperando.2. Quando um processo passa do estado executando para o

estado pronto.

3. Quando um processo passa do estado esperando para o

estado pronto.4. Quando um processo termina.

6.1.3 Escalonamento preemptivo



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• Nos casos 1 e 4, não há opção em termos deescalonamento.

• Nestes casos dizemos que o esquema de

escalonamento é não-preemptivo ou cooperativo.• Em escalonadores não-preemptivos, depois que a

CPU foi alocada a um processo, o processo mantém aCPU até liberá-la terminando ou passando para o

estado de espera.• Este esquema foi usado no Windows 3.x.




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• O escalonamento preemptivo ocorre nos casos 2 e 3.

• Escalonadores preemptivos trazem custos adicionaisem relação a coordenação de acesso aos dados

compartilhados.• Exemplo:

– Considere o caso de dois processos que compartilhemos dados. Enquanto um está atualizando dados éinterrompido para que o segundo processo possaexecutar. O segundo processo tenta ler os dados, queestão no estado inconsistente. Precisamos de novosmecanismos para coordenar o acesso a dados

compartilhados.




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• A preempção também tem um efeito no projeto dokernel, em alguns casos o processo pode solicitaruma chamada de sistema e o kernel pode estar

ocupado com uma atividade solicitada por outroprocesso.

• Tais atividades podem implicar na alteração de dadosimportantes do kernel.

• O que acontece se o processo for interrompido nomeio dessas mudanças e o kernel precisar ler oumodificar a mesma estrutura?




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• Certos SOs, incluindo a maioria das versões do UNIX,tratam desse problema esperando que uma chamadade sistema seja concluída ou que ocorra uma

operação com um bloco de E/S antes de realizar umtroca de contexto.

• Esse esquema garante que a estrutura do kernel serásimples, pois ele não se apropria de um processo

enquanto as estruturas de dados do kernel estiveremem um estado incoerente.




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• Outro componente envolvido na função deescalonamento de CPU é o despachante.

• Despachante (Dispatcher) o m dulo que dá o

controle da CPU ao processo selecionado peloescalonador de curto prazo. Essa função envolve:

– Trocar o contexto.

– Trocar o modo do usu rio.

– Desviar para o local apropriado no programa do usu rio parareiniciar esse programa.

6.1.4 Despachante



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• O despachante deve ser o mais r pido poss vel. Elechamado durante a troca de processo.

• Latênc ia de despacho tempo gasto para o

despachante interromper um processo e iniciar aexecu ão de outro.

6.1.4 Despachante



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• Diferentes algoritmos de escalonamento têmdiferentes propriedades e podem favorecer umaclasse de processos mais que outra;

• Os critérios usados incluem: – Utilização de CPU – mantém a CPU ocupada pelo máximo

de tempo possível.

– Vazão (Throughput) – número de processos que são

completados por unidade de tempo. Para processos longos ataxa pode ser de um processo por hora; para transaçõescurtas, pode ser 10 processos por segundo.

6.2 Critérios de escalonamento



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– Tempo de Retorno (Turnaround) – é o intervalo entre asubmissão de um processo até seu término. Esse tempo é asoma dos períodos gastos esperando para acessar amemória, aguardando na fila de processos prontos,

executando na CPU e realizando operações de E/S. – Tempo de espera – tempo que um processo gasta

esperando na fila de prontos.




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– Tempo de resposta o tempo que o processo leva paracome ar a responder, mas não o tempo que leva para gerara resposta. O tempo de resposta geralmente limitado pelavelocidade do dispositivo de sa da.

desej vel maximizar a utiliza ão de CPU e aVazão, e minimizar o tempo de retorno, o tempo deespera e o tempo de resposta.




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• Utilização de CPU máxima

• Vazão (Throughput) máxima

• Tempo de retorno (Turnaround) mínimo

• Tempo de espera mínimo

• Tempo de resposta mínimo




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• O escalonamento de CPU trata do problema dedecidir qual dos processos na fila de prontos deve serentregue à CPU.

• Existem muitos algoritmos de escalonamento de CPUdiferentes.

• A seguir veremos esses algoritmos:

6.3 Algoritmos de escalonamento



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p


o algoritmo mais simples.

• O processo que solicita a CPU primeiro, a recebeprimeiro.

• A implementa ão da pol tica FCFS facilmentegerenciada com a fila FIFO.

6.3.1 Escalonamento

First-Come, First-Served (FCFS)



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p


• Quando um processo entra na fila de processosprontos, seu PCB ligado ao final da fila.

• A CPU quando liberada aloca o processo que est no

in cio da fila.• O tempo de espera m dio com a pol tica FCFS muitas

vezes bem longo.

6.3.1 Escalonamento




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p


Processo Burst de CPU(milissegundos)

P1 24P2 3P3 3

• Suponha que o processo chegue na ordem: P , P e P . Odiagrama de Gantt para o escalonamento será:

– Tempo de espera para P = 0; P = 24; P = 27

– Tempo de espera médio: (0 + 24 + 27)/3 = 17 milissegundos

6.3.1 Escalonamento




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p


• Suponha que o processo chegue na ordemP , P , P

– O diagrama de Gantt para o escalonamento será:

– Tempo de espera para P = 6; P = 0; P = 3

– Tempo de espera médio: (6 + 0 + 3)/3 = 3 milissegundos

• Muito melhor do que no caso anterior• Efeito comboio – processo curto atrás de processo longo

6.3.1 Escalonamento




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p


• Esse algoritmo associa a cada processo a dura ão doseu pr ximo burst de CPU.

• Usa esses tempos para escalonar o processo com o

tempo mais curto.• Caso dois processos tenham a mesma dura ão do

burst de CPU, o escalonamento FCFS ser usadopara o desempate.

• O termo mais apropriado para este algoritmo seria opr ximo burst de CPU mais curto.

6.3.2 Escalonamento

Shortest Job First (SJF)



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P1 7P2 4P3 1P4 4

– Tempo de espera para P = 9; P = 1; P = 0; P = 5 – Tempo de espera médio: (9 + 1 + 0 + 5)/4 = 3,75 milissegundos

6.3.2 Escalonamento




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• O escalonamento SJF comprovadamente timo,pois fornece o tempo m dio de espera m nimo paraum determinado conjunto de processos.

• A dificuldade com o algoritmo conhecer a dura ãodo pr ximo pedido de CPU.

• O escalonamento SJF usado com frequência emescalonamento de longo prazo.

• Então ele não pode ser abordado no n vel deescalonamento de CPU de curto prazo.

6.3.2 Escalonamento




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• Uma t cnica utilizada tentar aproximar oescalonamento SJF.

• Talvez não seja poss vel saber a dura ão do pr ximo

burst de CPU, mas podemos tentar prever o seu valor.• Esperamos que o pr ximo burst de CPU seja

semelhante em dura ão aos anteriores.

• Assim podemos selecionar o processo com o menorburst de CPU previsto.

6.3.2 Escalonamento



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Processo Chegada Burst de CPU

(milissegundos)P1 0 7P2 2 4P3 4 1P4 5 4

• SJF (não-preemptivo)

– Tempo de espera para:• P1 = 0 (tempo de atendimento) – 0 (chegada) = 0• P2 = 8 (tempo de atendimento) – 2 (chegada) = 6• P3 = 7 (tempo de atendimento) – 4 (chegada) = 3• P4 =12 (tempo de atendimento) – 5 (chegada) = 7

– Tempo de espera médio = (0 + 6 + 3 + 7)/4 = 4 milissegundos

6.3.2 Escalonamento




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Exemplo de SJF preemptivo

Processo chegada Burst de CPU(milissegundos)

P1 0 7P2 2 4P3 4 1P4 5 4

• SJF (preemptivo)

– Tempo de espera para:• P1 = (0 atendimento – 0 chegada) + (11 atendimento – 2 processamento) = 9• P2 = (2 atendimento – 2 chegada) + (5 atendimento – 4 processamento) = 1• P3 = (4 atendimento – 4 chegada) = 0• P4= (7 atendimento – 5 chegada) = 2

– Tempo de espera médio = (9 + 1 + 0 +2)/4 = 3 milissegundos



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Escalonamento por Prioridade

• A prioridade est associada a cada processo, e aCPU alocada ao processo com prioridade mais alta.Processos de prioridade igual são escalonados na

ordem FCFS.• As prioridades são indicadas por algum intervalo de

n meros, como 0 a 7, ou 0 a 4095.

• Contudo não existe um acordo geral com rela ão a se

0 a maior ou a menor prioridade.



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• Um valor de prioridade (inteiro) associado a cadaprocesso.

• A CPU alocada para o processo com a prioridade

mais alta (menor inteiro = prioridade mais alta). – Escalonadores preemptivo por prioridade interrompe o

processo em execução quando o processo que chega na filade pronto tem maior prioridade sobre o processo emexecução.

– Escalonadores não-preemptivo não interrrompe o processoem execução mas coloca o processo que chegou com maiorprioridade no topo da fila de prontos.



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• SJF é um escalonamento por prioridade em que aprioridade é o próximo tempo de surto de CPUprevisto.

• Problema => Estagnação – processos de baixaprioridade podem nunca ser executados.

• Solução => Envelhecimento – conforme o tempopassa, aumente a prioridade do processo.



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Processo Prioridade Burst de CPU(milissegundos)

P1 3 10P2 1 1P3 3 2P4 4 1P5 2 5

• Não-preemptivo

– Tempo de espera para P = 6; P = 0; P = 16; P = 18; P = 1

– Tempo de espera médio = (6 + 0 + 16 + 18 + 1)/5 = 8,2 milissegundos



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Processo Chegada Prioridade Burst de CPU(milissegundos)

P1 0 3 10P2 1 4 1P3 2 2 5P4 3 3 2P5 4 1 1

• Preemptivo


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• Curiosidade sobre o escalonamento por

prioridade:

– Dizem que, quando desativaram o IBM 7094 no MIT em

1973, encontraram um processo de baixa prioridade que

tinha sido submetido em 1967 e ainda não tinha sido

executado.



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Algoritmo de escalonamento

Round-Robin (RR)

• Round-Robin (RR – Revezamento Circular) foiprojetado especialmente para sistemas de tempocompartilhado.

• É semelhante ao escalonamento FCFS, mas apreempção é acrescentada para alternar entreprocessos.



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Round-Robin (RR)

• Este escalonador introduz o conceito de QUANTUMDE TEMPO que é uma pequena unidade de tempoque geralmente é de 10 a 100 milissegundos.

• A fila de prontos é tratada como uma fila circular, oescalonador de CPU percorre a fila de processosprontos, alocando a CPU a cada processo por umintervalo de tempo de até 1 quantum de tempo.



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Round-Robin (RR)

• Desempenho

– Quantum de tempo grande FIFO

– Quantum de tempo pequeno quantum precisa ser grande

com relação ao tempo de troca de contexto ou o custoadicional será muito alto



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Exemplo de RR com

Quantum de Tempo = 20


P1 53P2 17P3 68

P4 24• O diagrama de Gantt :

• Normalmente, turnaround m dio mais alto do que SJF,mas melhora a resposta



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Exemplo de RR com

Quantum de Tempo = 20

– Tempo de espera para:

• P1 = 0 + (77 atendimento – 20 processamento) + (121 atendimento – 97 processamento) = 81

• P2 = 20

• P3 = 37 + (97 atendimento – 57 processamento) (134 atendimento – 117 processamento) = 94

• P4= 57 + (117 atendimento – 77 processamento) = 97

– Tempo de espera médio = (81 + 20 + 94 + 97)/4 = 73 milissegundos



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Quantum de Tempo e

Tempo de Troca de Contexto



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O Turnaround varia Conforme o

Quantum de Tempo


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