SCHEDULINGDELLA CPU

SISTEMI OPERATIVI

Obiettivi» Introduzione allo scheduling della CPU

˃ Aspetto fondamentale dei sistemi operativi multiprogrammati

» Algoritmi di scheduling della CPU

» Criteri per la scelta degli algoritmi di scheduling della CPU per particolari sistemi

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8

2

Sistemi Operativi

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Sistemi Operativi

3

Livelli di scheduling

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4

Sistemi Operativi

Running

Ready

Blocked

Short Term

Medium Term

Long Term

Blocked,Suspend

Ready,Suspend

New Exit

Figure 9.2 Levels of Scheduling

Scheduling e stati dei processiGi

orgi

o Gi

acin

to 2

018

5

Sistemi Operativi

Figure 9.1 Scheduling and Process State Transitions

Ready/Suspend

New

Running Exit

Blocked

Long-termscheduling

Long-termscheduling

Medium-termscheduling

Medium-termscheduling

Short-termscheduling

Ready

Blocked/Suspend

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6

Sistemi Operativi

Alternanza di operazioni dellaCPU e di operazioni di I/O

» L’esecuzione di un processo è una alternanza di CPU burst e I/O burst

» Durante gli I/O burstdi un processo la CPU è inattiva˃ Possiamo

assegnare alla CPU un processo prontoscheduling CPU

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Sistemi Operativi

CPU burst

CPU burst

CPU burst

I/O burst

I/O burst

I/O burst

Durata delle sequenze di operazioni della CPU

» Processi CPU bound˃ Pochi CPU burst molto lunghi

» Processi I/O bound˃ Molti CPU burst di breve durataGi

orgi

o Gi

acin

to 2

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Sistemi Operativi

Scheduler della CPU» Quando la CPU è inattiva lo scheduler della CPU

seleziona un processo dalla coda dei processi pronti˃ La coda non necessariamente è gestita con politica

FIFO˃ Gli elementi della coda sono i PCB dei processi

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Sistemi Operativi

Attivazione dello scheduling» Lo scheduling si attiva quando

˃ Un processo passa dallo stato running allo stato blocked (I/O, wait(), ecc.)

˃ Un processo passa dallo stato running allo stato ready

˃ Un processo passa dallo stato blocked allo stato ready (completamento I/O, ecc.)

˃ Terminazione di un processo

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Sistemi Operativi

Scheduling con o senza prelazione» Se lo scheduling si attiva solo al

˃ passaggio dallo stato running allo stato blocked˃ termine di un processo

allora è senza prelazione (non-preemptive) o cooperativo

» Se lo scheduling si attiva anche al˃ passaggio dallo stato running allo stato ready˃ passaggio dallo stato blocked allo stato ready

allora è con prelazione (preemptive)

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Sistemi Operativi

Prelazione» Il sistema operativo può far rilasciare la CPU ad

un processo per consentire l’avanzamento di un altro processo

» Cosa succede se la prelazione avviene ˃ durante una chiamata al sistema˃ durante l’esecuzione di processi cooperanti che

elaborano dati condivisi

Windows 3.x e Macintosh fino a System 9 effettuano scheduling senza prelazione

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Sistemi Operativi

Prelazione, chiamate di sistema e interruzioni» Durante l’esecuzione di chiamate al sistema, la

prelazione può essere ritardata» Durante l’esecuzione di interruzioni, altre

interruzioni potrebbero essere disabilitate

Questi meccanismi non sono adatti nel caso di sistemi real-time e di multielaborazione

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Sistemi Operativi

Dispatcher» Modulo del sistema operativo che effettua

˃ Cambio di contesto˃ Passaggio alla modalità utente˃ Salto alla istruzione corretta del programma

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Sistemi Operativi

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Sistemi Operativi

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Criteri relativi alle prestazioni del sistema

˃ Percentuale di tempo in cui il processore è occupato

˃ Numero di processi completati per unità di tempo

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Sistemi Operativi

Criteri orientati all’utente

˃ Tempo trascorso fra l’avvio di un processo e il suo completamentoSomma di: tempo di attesa ingresso in memoria, tempo nella coda ready, tempo CPU e tempo I/O

˃ Somma degli intervalli di tempo nella coda ready

˃ Tempo trascorso fra una richiesta e la relativa risposta in sistemi interattivi

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Sistemi Operativi

Altri criteri orientati all’utente

˃ I tempi di risposta medi dovrebbero essere sempre gli stessi Si può ottenere cercando di ridurne la varianza

Gli algoritmi di scheduling sviluppati non tengono conto di questo aspetto

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Sistemi Operativi

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Sistemi Operativi

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Confronto degli algoritmi» Esempi con insiemi di processi nella coda ready

con relativi CPU burst» Prestazioni misurate in termini di tempo medio

di attesa˃ In molti testi si misura il tempo di turnaround

considerando la somma di CPU burst e tempo medio di attesa

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Sistemi Operativi

First Come, First Served (FCFS)» I processi vengono eseguiti nello stesso ordine

con cui entrano nella coda dei processi pronti» Algoritmo di semplice implementazione» Il tempo di attesa di un processo dipende dalla

durata dei processi che lo precedono nella coda˃ Analogia con la coda alla cassa di un supermercato,

di una banca, di un ufficio, ecc.

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Sistemi Operativi

Esempio tempi di attesa FCFS

» Se i processi arrivano nella sequenza P1 P2 P3

˃ P2 attende 24 ms e P3 attende 27 msTempo medio di attesa 17 ms

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Sistemi Operativi

Processo CPU burstP1 24P2 3P3 3

Esempio tempi di attesa FCFS

» Se i processi arrivano nella sequenza P2 P3 P1

˃ P3 attende 3 ms e P1 attende 6 msTempo medio di attesa 3 ms

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Sistemi Operativi

Processo CPU burstP1 24P2 3P3 3

Prestazioni FCFS» I processi “CPU-bound” sono favoriti

˃ I processi “I/O bound” devono attendere il completamento dei processi “CPU-bound”

» Basso overhead per l’esecuzione dell’algoritmo» Non si ha prelazione

˃ Inadatto per sistemi time sharing

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Sistemi Operativi

Shortest Job First (SJF)» L’algoritmo seleziona il processo nella coda con

il tempo di esecuzione minore˃ shortest next CPU burst

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Sistemi Operativi

Processo CPU burstP1 6P2 8P3 7P4 3

Tempo medio di attesa SJF 7 ms FCFS 10.25 ms

Prestazioni SJF» Alto throughput» Ottimale rispetto al tempo medio di risposta

˃ Ma variabilità elevata!I processi più lunghi sono penalizzati

» Difficoltà e costo computazionale della stima del CPU burst successivo˃ SJF è utilizzato in scheduling a lungo termine per

elaborazione batch+ Gli utenti indicano il tempo max di esecuzione

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Sistemi Operativi

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Sistemi Operativi

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Predizione CPU burst

τi = α ti + (1 - α) τi-1 Nell’esempio α = 1/2 τ0 = 10

SJF con prelazioneshortest remaining time first» Un processo in esecuzione viene prelazionato

se il CPU burst rimanente è maggiore di quello di un nuovo processo aggiunto alla coda ready

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Sistemi Operativi

Processo Istante di arrivo CPU burstP1 0 8P2 1 4P3 2 9P4 3 5

Tempo medio di attesa SJF con prel 6.5 ms SJF 7.75 ms

Processo CPU burst PrioritàP1 10 3P2 1 1P3 2 4P4 1 5P5 5 2

Scheduling per priorità

» Priorità più alta: valore 0

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Sistemi Operativi

Tempo medio di attesa 8.2 ms

Può essere con o senza prelazione

Definizione del valore di priorità» Interno

˃ CPU burst, I/O burst, tempo di attesa, risorse richieste, file aperti, ecc.

» Esterno˃ Dipende da chi ha avviato il processo

» Pericolo di starvation˃ Se la priorità non tiene conto del tempo di attesa

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Sistemi Operativi

Round RobinScheduling circolare

» Ogni processo viene assegnato al processore per un quanto di tempo

» Se CPU burst > quanto di tempo˃ il processo viene prelazionato e inserito nella coda

ready

» Tempi medi di completamento (turnoaround) variabili rispetto al valore del quanto di tempo

» Ideato per sistemi interattivi time-sharing

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Sistemi Operativi

Esempio Round Robin

» Quanto di tempo q = 4ms

Tempo medio di attesa 5.66 ms

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Sistemi Operativi

Processo CPU burstP1 24P2 3P3 3

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Durata del quanto di tempo e cambi di contesto

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Durata del quanto di tempo e tempo di completamento

Empiricamente80% dei processi deve avere CPU burst di durata inferiore al quanto di tempo

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Sistemi Operativi

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Scheduling a code multiple

All’interno di ciascuna coda si usa l’algoritmo più appropriato.

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Sistemi Operativi

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Code multiple con retroazione

Fine CPU burst

Fine CPU burst

Fine CPU burst

CPU burst residuo

CPU burst residuo

Ingresso coda ready

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Sistemi Operativi

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Scheduling dei thread» Modello molti-a-molti e modello molti-a-uno

˃ Process-contention scope PCSLa libreria dei thread pianifica l’esecuzione di uno dei thread a livello utente e lo associa a un LWP

˃ System-contention scope SCSLa pianificazione dell’esecuzione dei thread a livello kernel avviene a livello globale di sistema

» Modello uno-a-uno˃ Solo SCS

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Sistemi Operativi

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Sistemi Operativi

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Soluzioni di scheduling» Due configurazioni

˃ Multielaborazione asimmetrica+ Un processore è il master che esegue il sistema

operativo, mentre gli altri processori eseguono solo codice utente

˃ SMP - symmetric multiprocessing+ Ciascun processore ha uno scheduler che seleziona

dalla coda il processo da eseguire– Unica coda per tutti i processori– Code distinte per ciascun processore (soluzione più

diffusa)

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Sistemi Operativi

Processor affinity» È l’assegnazione permanente di un processo al

processore˃ La migrazione di un processo da un processore a un

altro implica il trasferimento dei dati della cache Soft affinity˃ Il sistema operativo non garantisce il mantenimento

di un processo su un processoreHard affinity˃ Il sistema operativo garantisce la proprietà

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Sistemi Operativi

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Sistemi Operativi

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NUMA e processor affinity

Bilanciamento del carico» Il sistema operativo può verificare che il carico

sia distribuito fra tutti i processori˃ Push migration

un processo controlla il carico e forza la migrazione dei processi per riequilibrio

˃ Pull migrationun processore inattivo sottrae un processo a un processore sovraccarico

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Sistemi Operativi

Processori multicore» Evoluzione dei sistemi multiprocessore» Ostacolo all’efficienza: attesa di dati dalla

memoria (stallo della memoria)

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Sistemi Operativi

Sistema multicore e multithread» Thread hardware

consentono di alternare l’esecuzione di sequenze di istruzioni di thread diversi

˃ Il sistema operativo vede un thread hardware come un processore logicoad es., con due core e due thread hardware per core il s.o. vede quattro processori logiciGi

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Sistemi Operativi

Multithreading» Coarse-grain multithreading

˃ Un thread è in esecuzione nel processore fino al verificarsi di un evento a lunga latenzaIl cambio di thread richiede lo svuotamento della pipeline

» Fine-grain multithreading˃ Il cambio fra thread può avvenire anche al termine di

un ciclo di istruzioneè necessaria una logica dedicata

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Sistemi Operativi

Scheduling in sistemi multithreading» A livello di sistema operativo

˃ Scheduling dei thread software e dei processi

» A livello di processore˃ Scheduling dei thread hardware

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Sistemi Operativi

Virtualizzazione e scheduling» Algoritmo di scheduling nel sistema operativo

della macchina virtuale» Algoritmo di scheduling della CPU fisica da

parte del sistema operativo ospitante o dell’hypervisor

L’esito della combinazione di questi due livelli dipende dalla tecnica di virtualizzazione

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Dispatch di Solaris per i thread interattivi

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Scheduling di SolarisGi

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Sistemi Operativi

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Priorità di Windows

high abovenormal normal below

normalidlepriority

time-critical

real-time

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26

25

24

23

22

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15

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13

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12

11

10

9

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9

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7

6

1

15

8

7

6

5

4

1

15

6

5

4

3

2

1

highest

above normal

normal

lowest

idle

below normal

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Sistemi Operativi

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Priorità e lunghezza del quanto di tempo in Linux

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Sistemi Operativi

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Modello deterministico» Dato un insieme di processi in coda, determinare il

tempo medio di attesa (o il tempo medio di turnaround) per ciascuno dei seguenti algoritmi di schedulingFCFS, SJF e RR (q = 10 ms)

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Sistemi Operativi

Processo CPU burstP1 10P2 29P3 3P4 7P5 12

Reti di code» Modello matematico

˃ Coda dei processi pronti˃ Code di I/O˃ Distribuzione sequenze istruzioni CPU˃ Distribuzione istanti di arrivo processi nel sistema

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Sistemi Operativi

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Sistemi Operativi

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Simulazione

Realizzazione» Si realizzano diverse versioni del sistema

operativo con diversi algoritmi di scheduling

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Sistemi Operativi