Sistemas de Computação

Processos e escalonamentoProcessos e escalonamento

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Sistema operacional

• Programa que age como intermediário entre o usuário de um computador e o hardware

• Objetivos:– Executar programas do usuário e facilitar a resolução de

problemas– Tornar o sistema de computação mais conveniente para uso

• Utiliza o hardware de maneira eficiente

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Visão abstrata dos componentes de um sistema de computação

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Funções executadas pelo S.O

• Gerencia e aloca recursos

• Controla a execução de programas de usuário e operações de entrada e saída

• Núcleo do S.O fica executando todo o tempo

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Esquema de memória para sistema simples de batch

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Sistemas batch multiprogramados

• Vários jobs são colocados na memória principal ao mesmo tempo e a CPU é multiplexada entre eles.

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Características necessárias para multiprogramação

• Rotinas de E/S fornecidas pelo S.O

• Memória deve ser alocada aos diversos jobs pelo S.O

• Sistema deve escolher entre os jobs prontos para serem executados, aquele que realmente seráexecutado

• Alocação de dispositivos

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Sistemas time-sharing –computação interativa

• A CPU é multiplexada entre vários jobs que estão na memória e no disco ( a CPU é alocada para um job somente se ele estiver na memória)

• Um job fica sendo trocado de lugar entre memória e disco

• Comunicação on-line entre o usuário e o sistema éfornecida; quando o S.O finaliza a execução de um comando, ele procura pelo próximo comando digitado no teclado

• Sistemas on-line têm que estar disponíveis para acesso a dados e código

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Processos

• Um sistema operacional executa uma variedade de programas:

– Sistemas batch – jobs– Sistemas time-shared – programas de usuário ou tarefas (tasks)

• Os termos job e processo são utilizados para designar a mesma coisa

• Processo é um programa em execução realizada de maneira seqüencial

• Um processo inclui:– contador de programa– pilha (stack)– seção de dados

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Estado do processo

• À medida que o processo é executado, ele troca de estado

– novo: O processo está sendo criado– em execução (running): Instruções estão sendo executadas – suspenso (waiting): O processo está esperando pela ocorrência

de um evento– pronto (ready): O processo está pronto para ser designado para

a CPU– terminado (terminated): O processo acabou sua execução

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Diagrama de estados do processo

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Bloco de controle de processos

• Informação associada a cada processo

• Estado do processo

• Contador de processo

• Registradores de CPU

• Informações para escalonamento de CPU

• Informações para gerenciamento de memória

• Informações para tarifação

• Informações de estado de E/S

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Bloco de controle de processo

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Chaveamento da CPU

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Processos concorrentes

• Os processos podem executar concorrentemente no sistema

• Compartilhamento de recursos físicos

• Compartilhamento de recursos lógicos

• Aceleração da computação

• Modularidade

• Conveniência

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Criação de processos

• Um processo pai cria processos filhos, que por sua vez criam outros processos, formando uma árvore de processos

• Compartilhamento de recursos– Pais e filhos compartilham todos os recursos– Filhos compartilham um subconjunto dos recursos do pai– Pais e filhos não compartilham recursos

• Execução– Pai e filhos executam concorrentemente– Pai espera filhos acabarem

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Criação de processos

• Espaço de endereçamento– Filho duplica espaço do pai– Filho tem um programa carregado neste espaço

• Exemplos em UNIX– fork chamada do sistema para criar processo novo– exec chamada do sistema utilizada após um fork para carregar um

novo programa no espaço de memória do processo

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Árvore de processos em um sistema UNIX

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Término de um processo

• Processo executa a última instrução e pede para o sistema operacional finalizá-lo (exit).

– Dados passam do filho para pai (via wait).– Recursos do processo são liberados pelo sistema operacional

• Pai pode terminar a execução de processos filhos (abort).

– Filho excedeu recursos alocados.– Tarefa designada para o filho não é mais necessária– Pai está finalizando sua execução

• S.O não permite que um filho continue executando se o pai terminou execução

• Terminação em cascata

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Escalonamento

• Maior utilização da CPU com multiprogramação

• Ciclo de burst de CPU e E/S – Execução de um processo consiste de ciclo de execução de CPU e espera por E/S

• Sistema operacional passa o controle da CPU para outro programa quando o que está sendo executado tem que esperar

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Filas para escalonamento de processos

• Filas de jobs – conjunto de todos os processos do sistema

• Fila de prontos – conjunto de todos os processos residentes na memória principal, prontos e esperando para serem executados pela CPU

• Fila de dispositivos – conjunto de processos esperando por um dispositivo de E/S

• Os processos migram entre as diversas filas

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Fila de prontos e várias filas de dispositivos de E/S

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Representação do escalonamento de processos

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Escalonadores

• Long-term scheduler (ou job scheduler) –seleciona os processos que devem ser trazidos para a fila de prontos

• Short-term scheduler (ou CPU scheduler) –seleciona o processo que deverá ser o próximo a ser executado pela CPU e aloca a CPU para ele

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Escalonador de médio prazo

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Escalonadores

• Short-term scheduler é acionado muito freqüentemente (milisegundos) (tem que ser rápido).

• Long-term scheduler é acionado mais raramente (segundos, minutos) (pode ser lento).

• O long-term scheduler controla o grau de multiprogramação

• Processos podem ser descritos como:– Processo I/O-bound – gasta a maior parte do tempo executando

E/S que computação, vários bursts de CPU curtos.– Processo CPU-bound – gasta a maior parte do tempo realizando

computação, poucos bursts de CPU de longa duração

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Chaveamento de contexto

• Quando a CPU chaveia para outro processo, o sistema tem que salvar o estado do processo que estava sendo executado e carregar o estado guardado do novo processo

• Tempo de chaveamento de processo introduz overhead; o sistema não realiza trabalho útil neste tempo

• Tempo depende do suporte de hardware existente

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Seqüência de bursts de CPU e E/S

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Escalonamento da CPU

• Seleciona um entre os processos prontos que estão na memória para ser executado e aloca a CPU para ele

• As decisões de escalonamento da CPU podem ocorrer quando um processo:

1. Troca do estado executando para suspenso2. Troca do estado executando para pronto3. Troca do estado suspenso para pronto 4. Termina

• Escalonamento realizado nos casos 1 e 4 é não preemptivo.

• Os outros são preemptivos.

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Chaveamento de contexto

• Quando a CPU chaveia para outro processo, o sistema tem que salvar o estado do processo que estava sendo executado e carregar o estado guardado do novo processo

• Tempo de chaveamento de processo introduz overhead; o sistema não realiza trabalho útil neste tempo

• Tempo depende do suporte de hardware existente

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Dispatcher

• O módulo dispatcher dá o controle da CPU para o processo selecionado pelo short-term scheduler; que envolve:

– trocar o contexto– mudar o modo para modo usuário– desviar para o endereço apropriado do programa do usuário

• Latência de despacho – tempo gasto pelo dispatcher para parar um processo e iniciar a execução de outro

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Critérios para escalonamento

• Utilização de CPU – mantém a CPU ocupada o maior tempo possível

• Throughput – número de processos que completam sua execução por unidade de tempo

• Turnaround time – quantidade de tempo para executar um determinado processo

• Waiting time – tempo que o processo fica na fila de prontos

• Tempo de resposta – tempo para produzir a primeira resposta a um pedido em sistemas de tempo compartilhado

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Critérios de otimização

• Max utilização de CPU

• Max throughput

• Min turnaround time

• Min waiting time

• Min tempo de resposta

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P1 P2 P3

24 27 300

First-Come, First-Served (FCFS)

Processo Tempo de burstP1 24P2 3P3 3

• Suponha que os processos chegam na ordem : P1 , P2, P3 A carta de Gantt ilustra a situação:

Tempo de espera para P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27Tempo médio de espera: (0 + 24 + 27)/3 = 17

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P1P3P2

63 300

FCFS (Cont.)

• Suponha que os processos cheguem na ordem P2 , P3 , P1 .

• A carta de Gantt para esta situação:

Tempo de espera para P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3Tempo médio de espera: (6 + 0 + 3)/3 = 3Melhor que caso anterior

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Shortest-Job-First (SJF)

• Associa a cada processo a duração do seu próximo CPU burst e escalona o processo com o menor tempo:

• Dois esquemas: – não preemptivo – a partir do momento que um processo adquiriu a

CPU, ela fica associada a ele até que o seu CPU burst acabe– preemptivo – se um novo processo chega com um CPU burst

menor que o tempo que ainda resta para que o processo corrente termine a sua execução, o novo processo toma o lugar do corrente (SRTF - Shortest-Remaining-Time-First ).

• SJF é ótimo – fornece o menor tempo de espera médio para um dado conjunto de processos

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Processo Tempo de chegada Tempo de burstP1 0.0 7P2 2.0 4P3 4.0 1P4 5.0 4

• SJF (não preemptivo)

• Tempo médio de espera = (0 + 6 + 3 + 7)/4 - 4

Exemplo de SJF não preemptivo

P1 P3 P2

73 160

P4

8 12

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Exemplo de SJF preemptivo

Processo Tempo de chegada Burst TimeP1 0.0 7P2 2.0 4P3 4.0 1P4 5.0 4

• SJF (preemptivo)

• Tempo médio de espera = (9 + 1 + 0 +2)/4 - 3

P1 P3P2

42 110

P4

5 7

P2 P1

16

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:Define 4.10 , 3.

burst CPU next the for value predicted 2.burst CPU of lenght actual 1.

1n

thn nt

.t nnn 11

Como determinar duração de próximo CPU burst ?

• Só pode ser estimado

• Pode ser estimado realizando-se uma média exponencial dos valores de duração de bursts de CPU prévios

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Predição da duração do próximo CPU burst

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Exemplos

• =0– n+1 = n

– História recente não conta

• =1– n+1 = tn

– Somente os últimos bursts são levados em conta

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Escalonamento de prioridades

• Um número inteiro de prioridade é associado a cada processo

• A CPU é alocada ao processo de maior prioridade (menor inteiro = maior prioridade)

– Preemptivo– não preemptivo

• SJF é um escalonamento de prioridades onde a prioridade é o próximo tempo previsto de burst de CPU

• Problema Starvation – processos de baixa prioridade nunca são executados

• Solução Aging – à medida que o tempo passa a prioridade do processo aumenta

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Round Robin (RR)

• Cada processo recebe uma pequena unidade de tempo da CPU (time quantum), geralmente 10-100 milisegundos . Quando este tempo se esgota, o processo para de ser executado e vai para o final da fila de prontos

• Se existem n processos na fila de prontos e o time quantum é q, então cada processo recebe de cada vez no máximo q unidades de tempo. Nenhum processo espera mais que (n-1)q unidades de tempo para ser executado pela CPU.

• Desempenho– q grande FIFO– q pequeno q deve ser grande em relação ao tempo de troca de

contexto, senão overhead é muito grande

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P1 P2 P3 P4 P1 P3 P4 P1 P3 P3

0 20 37 57 77 97 117 121 134 154 162

Exemplo de RR com time quantum = 20

Processo Tempo de burstP1 53P2 17P3 68P4 24

Carta de Gantt:

• Maior média para turnaround time que SJF, mas melhor tempo de resposta

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Time quantum e tempo de troca de contexto

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Turnaround time varia com o time quantum

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Múltiplas filas

• A fila de prontos é particionada em filas separadas que possuem seu próprio algoritmo de escalonamento

– foreground (interativas) - RR– background (batch) - FCFS

• Escalonamento tem que ser realizado entre as filas– Escalonamento de prioridades fixas ( serve todos da fila

foreground depois da background). Possibilidade de starvation.– Fatia de tempo – cada fila recebe uma certa quantidade de tempo

da CPU que é escalonada entre os processos da fila( 80% paraforeground em RR, 20% para background em FCFS)

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Múltiplas filas

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Múltiplas filas com realimentação

• Um processo pode mudar de fila

• Definido pelos seguintes parâmetros:– número de filas– algoritmos de escalonamento de cada fila– método utilizado para determinar quando um processo deve ir para

fila de maior prioridade – método utilizado para determinar quando um processo deve ir para

fila de menor prioridade– método utilizado para determinar em qual fila o processo deve

entrar quando precisa de serviço

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Exemplo de múltiplas filas com realimentação

• Três filas: – Q0 – time quantum 8 milisegundos– Q1 – time quantum 16 milisegundos– Q2 – FCFS

• Escalonamento– Um processo novo entra na fila Q0 que é servida por FCFS.

Quando ele ganha a CPU, ele recebe 8 millisegundos. Se ele não acaba em 8 milisegundos, ele é movido para fila Q1.

– Na fila Q1, o processo é servido por FCFS e recebe 16 milisegundos adicionais. Caso ele ainda não tenha acabado, ele émovido para a fila Q2.

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Múltiplas filas com realimentação

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Avaliação dos algoritmos

• Modelagem determinística – obtém uma carga de trabalho pré determinada e específica e define o desempenho de cada algoritmo para esta carga

• Modelos de filas

• Implementação

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Avaliação por simulação