Sistemas Operacionais Prof. Esp. André Luís Belini Bacharel em Sistemas de Informações MBA em Gestão Estratégica de Negócios Gerência do Processador - PDF Free Download
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Isaac Aires Canto
1 Sistemas Operacionais Prof. Esp. André Luís Belini Bacharel em Sistemas de Informações MBA em Gestão Estratégica de Negócios Gerência do Processador A partir do momento em que diversos processos podem estar no estado de pronto, critérios devem ser estabelecidos para determinar qual processo será escolhido para fazer uso do processador. Os critérios utilizados para esta seleção compõem a chamada política de escalonamento, que é a base da gerência do processador e da multiprogramação em um Sistema Operacional. 2 1
2 Escalonamento Execução Escalonamento Espera Pronto 3 Critérios de escalonamento As características de cada sistema operacional determinam quais são os principais aspectos para a implementação de uma política de escalonamento adequada. Por exemplo, sistema de tempo compartilhado exigem que o escalonamento trate todos os processos de forma igual. Já em sistemas de tempo real, o escalonamento deve priorizar a execução de processos críticos em detrimento da execução de outros processos. 4 2
3 Critérios de Escalonamento Utilização do processador Na maioria dos sistemas é desejável que o processador permaneça a maior parte do tempo ocupado. Uma utilização na faixa de 30% indica um sistema com uma carga de processamento baixa, enquanto na faixa de 90% indica um sistema bastante carregado, próximo da sua capacidade máxima. 5 Throughput Throughput representa o número de processos executados em um determinado intervalo de tempo. Quanto maior o throughput, número de tarefas executadas em função do tempo. A maximização do throughput é desejada na maioria dos sistemas. 6 3
4 Tempo de Processador / Tempo de UCP Tempo de processador ou tempo de UCP é o tempo que um processo leva na estado de execução durante seu processamento. As políticas de escalonamento não influenciam o tempo de processador de um processo, sendo este tempo função apenas do código da aplicação e da entrada de dados. 7 Tempo de Espera Tempo de espera é o tempo total que um processo permanece na fila de pronto durante seu processamento, aguardando para ser executado. A redução do tempo de espera é desejada pela maioria das políticas de escalonamento. 8 4
5 Tempo de Turnaround Tempo de turnaround é o tempo que um processo leva desde a sua criação até seu término, levando em consideração todo o tempo gasto na espera para alocação de memória, espera na fila de pronto (tempo de espera), processamento na UCP (tempo de processador) e na fila de espera, como nas operações de E/S. As políticas de escalonamento buscam minimizar o tempo de turnaround. 9 Tempo de resposta Tempo de resposta é o tempo decorrido entre uma requisição ao sistema ou à aplicação e o instante em que a resposta é exibida. Em sistemas interativos, podemos entender como o tempo decorrido entre a última tecla digitada pelo usuário e o início do resultado no monitor. 10 5
6 Escalonamento não preemptivos e preemptivos O escalonamento não-preemptivo foi o primeiro tipo de escalonamento implementado nos sistemas multiprogramáveis, onde predominava tipicamente o processamento batch. Nesse tipo de escalonamento, quando um processo está em execução nenhum evento externo pode ocasionar a perda do uso do processador. O processo somente sai do estado de execução caso termine seu processamento ou execute instruções do próprio código que ocasionem uma mudança para o estado de espera. 11 Escalonamento preemptivo: o sistema operacional pode interromper um processo em execução e passá-lo para o estado de pronto, com o objetivo de alocar outro processo na UCP. Com o uso da preempção, é possível ao sistema priorizar a execução de processos, como no caso de aplicações em tempo real, onde o fator tempo é crítico. Outro benefício é a possibilidade de implementar políticas de escalonamento que compartilhem o processador de uma maneira mais uniforme, distribuindo de forma balanceada o uso da UCP entre os processos. 12 6
7 Escalonamento First-in-First-Out (FIFO) Criação Fila dos processos no estado de Pronto UCP Término Espera 13 Escalonamento First-in-First-Out (FIFO) No escalonamento FIFO, o processo que chegar primeiro ao estado de pronto é o selecionado para execução. Este algoritmo é bastante simples, sendo necessária apenas uma fila, onde os processos que passam para o estado de pronto entram no seu final e são escalonados quando chegam ao seu início. O escalonamento FIFO é do tipo não-preemptivo e foi inicialmente implementado em sistemas monoprogramáveis com processamento batch, sendo ineficiente, se aplicado da forma original em sistemas interativos e de tempo compartilhado. 14 7
8 Escalonamento Shorteste-Job-First (SJF) No escalonamento SJF, o algoritmo de escalonamento seleciona o processo que tiver o menor tempo de processador ainda por executar. Dessa forma, o processo em estado de pronto que necessitar de menos tempo de UCP para terminar seu processamento é selecionado para execução. Utilizado nos primeiros S.O. com processamento exclusivamente batch. 15 Escalonamento Cooperativo O escalonamento cooperativo é uma implementação que busca aumentar o grau de multiprogramação em políticas de escalonamentos que não possuam mecanismos de preempção, como FIFO e o SJF. Neste caso, um processo em execução pode voluntariamente liberar o processador, retornando à fila de pronto e possibilitando que um novo processo seja escalonado, permitindo assim uma melhor distribuição no uso do processador. Utilizado nos primeiros sistemas operacionais da família Microsoft. 16 8
9 Escalonamento Circular O escalonamento circular é um escalonamento do tipo preemptivo, projetado especialmente para sistemas de tempo compartilhado. Esse algoritmo é bastante semelhante ao FIFO, porém quando um processo passa para o estado de execução existe um tempo-limite para o uso contínuo do processador denominado fatia de tempo (time-slice) No escalonamento circular, toda vez que um processo é escalonado para execução uma nova fatia de tempo é concedida. Caso a fatia de tempo expire, o S.O. interrompe o processo em execução, salva seu contexto e direciona-o para o final da fila de pronto. 17 Escalonamento Circular Criação Fila dos processos no estado de Pronto UCP Término Preempção por tempo Espera 18 9
10 Escalonamento Circular Virtual Criação Fila dos processos no estado de Pronto UCP Término Preempção por tempo Fila auxiliar Espera 19 Escalonamento por Prioridades O escalonamento por prioridades é um escalonamento do tipo preemptivo realizado com base em um valor associado a cada processo denominado prioridade de execução. O processo com maior prioridade no estado de pronto é sempre escolhido para execução e processos com valores iguais são escalonados seguindo o critério FIFO. No escalonamento por prioridades, a perda do uso do processador só ocorrerá no caso de uma mudança voluntária para o estado de espera ou quando um processo de prioridade maior passa para o estado de pronto
11 Fila de processos no estado de pronto Filas dos processos no estado de Pronto Prioridade P1 Prioridade P2 Criação UCP Término Prioridade Pn Preempção por prioridade Espera 21 Um dos principais problemas problemas no escalonamento por prioridades é o startvation. Processos de baixa prioridade podem não ser escalonados, permanecendo indefinidamente na fila de pronto. Uma solução para este problema, possível em sistemas que implementam prioridade dinâmica, é a técnica de aging. Este mecanismo incrementa gradualmente a prioridade de processos que permanecem por muito tempo na fila de pronto
12 Escalonamento Circular com Prioridades O escalonamento circular com prioridades implementa o conceito de fatia de tempo e de prioridade de execução associada a cada processo. Neste tipo de escalonamento, um processo permanece no estado de execução até que termine seu processamento, voluntariamente passe para o estado de espera ou sofra uma preempção por tempo ou prioridade. 23 Escalonamento Circular com Prioridades Fila dos processos no estado de Pronto Prioridade P1 Prioridade P2 Criação UCP Término Prioridade Pn Preempção por tempo ou prioridade Espera 24 12
13 A principal vantagem deste escalonamento é permitir o melhor balanceamento no uso do processador em sistemas de tempo compartilhado. Este tipo de escalonamento é amplamente utilizado em sistemas de tempo compartilhado, como Windows e Unix. O escalonamento circular com prioridades possui duas variações: estática e dinâmica. Na estática a prioridade é definida no contexto de software de cada processo e permanece inalterada ao longo da sua existência. No caso da dinâmica, é possível que a prioridade de um processo seja alterada dinamicamente pelo administrador do sistema ou pelo próprio S.O. 25 Escalonamento por Múltiplas filas No escalonamento por múltiplas filas existem diversas filas de processos no estado de pronto, cada qual com uma prioridade específica. Os processos são associados às filas em função de características próprias, como importância para a aplicação, tipo de processamento ou área de memória necessária. Como processos possuem características de processamento distintas, é difícil que um único mecanismo de escalonamento seja adequado a todos. A principal vantagem de múltiplas filas é a possibilidade de convivência de mecanismos de escalonamento distintos em um mesmo S.O
14 Escalonamento por Múltiplas filas Maior prioridade Fila de processos do sistema Fila de processos interativos UCP Menor prioridade Fila de processos batch 27 Neste mecanismo, o processo não possui prioridade, ficando esta característica associada à fila. O processo em execução sofre preempção caso um processo entre em uma fila de maior prioridade. O S.O. só pode escalonar processos de uma determinada fila caso todas as outras filas de maior prioridade estejam vazias. Uma boa prática é classificar os processos em função do tipo de processamento realizado e associá-los adequadamente às repectivas filas. Uma desvantagem deste escalonamento é que no caso de um processo alterar seu comportamento no decorrer do tempo o processo não poderá ser redirecionado para uma outra fila mais adequada
15 Escalonamento por Múltiplas Filas com Realimentação O escalonamento por múltiplas filas com realimentação é semelhante ao escalonamento por múltiplas filas, porém os processos podem trocar de filas durante seu processamento. Sua grande vantagem é permitir ao S.O. identificar dinamicamente o comportamento de cada processo, direcionando-o para filas com prioridade de execução e mecanismo de escalonamento mais adequados ao logo do seu processamento. 29 Escalonamento por Múltiplas Filas com Realimentação Maior Prioridade Fila 1 (FIFO Adaptado) Preempção por tempo Menor fatia de tempo Fila 2 (FIFO Adaptado) Preempção por tempo Fila 3 (FIFO Adaptado) UCP Preempção por tempo Menor Prioridade Fila n (Circular) Preempção por tempo Maior fatia de tempo 30 15
16 Política de Escalonamento em Sistemas de Tempo Compartilhado Sistemas de tempo compartilhado caracterizam-se pelo processamento interativo, no qual usuários interagem com as aplicações exigindo tempos de respostas baixos. A escolha de uma política de escalonamento para atingir este propósito deve levar em consideração o compartilhamento dos recursos de forma equitativa para possibilitar o uso balanceado da UCP entre processos. Em um escalonamento onde todos os processos são tratados igualmente, processos CPU-bound sempre levam vantagem sobre os processos I/O-bound. Embora sejam mais complexos de implementar que os sistemas com prioridade estática, o tempo de resposta oferecido compensa. 31 Política de escalonamento em sistemas de tempo real Diferentemente dos sistemas de tempo compartilhado, nos quais a aplicação não é prejudicada pela variação no tempo de resposta, algumas aplicações específicas exigem respostas imediatas para a execução de determinadas tarefas. São os S.O. de tempo real. O escalonamento em sistemas de tempo real deve levar em consideração a importância relativa de cada tarefa na aplicação. Em função disso, o escalonamento por prioridades é o mais adequado, já que para cada processo uma prioridade associada em função da importância do processo dentro da aplicação. No escalonamento para sistemas de tempo real não deve existir o conceito de fatia de tempo, e a prioridade de cada processo deve ser estática