Systeme 1 Kapitel 5 Scheduling WS 2009/10

Scheduling Verteilung und Zuweisung von begrenzten Ressourcen an konkurrierende Prozesse Zeitablaufsteuerung Beispiel: Zwei Prozesse zur gleichen Zeit rechenbereit auf einem Ein-Prozessor System. Betriebssystem muss entscheiden, welcher Prozess als Nächstes läuft. Scheduler Entscheidung auf Grund eines Schedulingalgorithmus Ziel: optimale! Verteilung WS 2009/10

Optimierungsziele Mehrere verschiedene Optimierungsziele denkbar Verschiedene Scheduling-Algorithmen Optimierungsziele Alle Systeme Fairness (“jeder Prozess erhält die CPU”) Effizienz Stapelverarbeitungssysteme Maximiere mittleren Durchsatz (Anzahl Jobs pro Zeiteinheit) Minimiere mittlere Durchlaufzeit (Zeit von Prozessstart bis Prozessbeendigung) Maximiere CPU-Auslastung Bemerkung: Maximierung des mittleren Durchsatzes und Minimierung der mittleren Durchlaufzeit sind nicht dasselbe! Interaktive Systeme Minimiere Antwortzeit Echtzeit-Systeme Einhalten von Deadlines WS 2009/10

Beispiel: Feste Prioritäten Prozess mit der höchsten Priorität erhält CPU Problem: Livelock für Prozesse mit geringer Priorität Fairness nicht garantiert! WS 2009/10

Schedulingalgorithmen: Charakteristika Prozessauswahl: Bestimmt nächsten Prozess für CPU-Zuteilung Basierend auf Ressourcenbenutzung, Prioritäten, … Insbesondere: w (Wartezeit auf CPU) e (bisher verbrauchte CPU-Zeit) s (insgesamt benötigte CPU-Zeit) Zeitpunkt der Auswahlentscheidung: Nicht-präemptives Scheduling: CPU kann einem Prozess nur entzogen werden, wenn er beendet ist, oder auf Ein-/Ausgaben wartet. Präemptives Scheduling : Aktueller Prozess kann unterbrochen werden durch sog. Interrupts. WS 2009/10

First Come First Served (FCFS) Nicht-präemptiv Strategie: Wenn ein Prozess beendet ist oder blockiert, kommt der Prozess an die Reihe, der schon am längsten wartet. Analyse : FCFS begünstigt lange Prozesse, kurze Prozesse können durch lange Prozesse stark verzögert werden. FCFS begünstigt Prozesse ohne Ein-/Ausgabe (die den Prozessor vor Beendigung nicht abgeben). FCTS alleine nicht sehr interessant. WS 2009/10

Shortest Job First (SJF) Nicht-präemptiv Strategie: Benutzt Abschätzungen der Gesamtlaufzeit von Prozessen. Prozess mit kürzester geschätzter Laufzeit erhält CPU als erstes. Minimiert durchschnittliche Durchlaufzeit = durchschnittliche Wartezeit WS 2009/10

Shortest Job First (SJF) - Beispiel Prozesse A, B, C, D Laufzeit von A = 8 Min. und Laufzeit von B, C, D = 4 Min. Alle Prozesse gleichzeitig rechenbereit Variante 1: Reihenfolge A, B, C, D Wartezeit bis Prozess beendet: A = 8 Min., B = 12 Min., C = 16 Min., D = 20 Min. Durchschnittliche Wartezeit 14 Min. Variante 2: SJF Reihenfolge B, C, D, A Wartezeit: B = 4 Min., C = 8 Min., D = 12 Min., A = 20 Min. Durchschnittliche Wartezeit 11 Min. WS 2009/10

Shortest Job First (SJF) Allgemein: Prozess 1: Laufzeit t1, Wartezeit t1 Prozess 2: Laufzeit t2, Wartezeit t1+ t2 ... Prozess N: Laufzeit tn, Wartezeit t1+ t2 +…+ tn => durchschnittliche Durchlaufzeit: D.h. kürzeste durchschnittliche Durchlaufzeit, wenn t1 bis tn aufsteigend nach Laufzeit sortiert. WS 2009/10

Shortest Job First (SJF) Analyse SJF begünstigt kurze Prozesse. Antwortzeit für lange Prozesse variiert stark in Abhängigkeit von der Zahl der kürzeren Jobs. Livelock für lange Prozesse möglich. Problem : Wie erhält man Abschätzungen der Gesamtlaufzeit von Prozessen? SJF nicht geeignet für Allzweck-OS. Eher für Stapelverarbeitungssysteme (Mainframes). WS 2009/10

Shortest Remaining Time (SRT) Präemptiv Strategie: Benutzt Abschätzungen der Restlaufzeiten von Prozessen. Prozess mit kürzester geschätzter Restlaufzeit erhält CPU. Keine Unterbrechungen laufender Prozesse durch Timer. Auswertung der Restlaufzeiten nur, wenn ein neuer Prozess gestartet wird. Analyse: Ähnliche Probleme wie SJF. WS 2009/10

Highest Response Ration Next (HRRN) Nicht-präemptiv Strategie: Basiert auf rt = geschätzte Laufzeit eines Prozesses wt = Wartezeit eines Prozesses (bisher angesammelte Wartezeit) “Response ratio” rr = (rt + wt) / rt Ein Prozess startet mit rr = 1.0. Der Prozess mit der höchsten response ratio rr erhält die CPU als erster. Analyse: Für kurze Prozesse wächst rr schnell an. HRRN begünstigt kurze Prozesse (wie SJF und SRT). Aber: Keine Livelocks für längere Prozesse. Ähnliches Problem wie SJF, SRT: Laufzeitabschätzungen benötigt. WS 2009/10

Round Robin (RR) Präemptiv Strategie: Analyse: Scheduler wird nach Ablauf fester Zeitintervalle immer wieder (periodisch) aktiviert (“Zeitscheiben”, „Quanten“). Quantum bei realen Systemen ~ 20-100 ms Laufender Prozess wird dann in eine Warteschlange wartender Prozesse eingefügt. Der am längsten wartende Prozess wird aktiviert. Analyse: Länge der Zeitscheiben ist essentiell Zu kurz: Overhead durch viele Prozesswechsel Zu lang: Ähnlich FCFS RR begünstigt Prozesse ohne Ein-/Ausgabe etwas. Prozesse mit Ein-/Ausgabe geben CPU ab, bevor ihre Zeitscheibe abgelaufen ist, erhalten dafür aber keine “Gutschrift”. WS 2009/10

Feedback Präemptiv Problem: Idee: Strategie: Laufzeitberechnung nur ganz selten möglich. Idee: Nutze bereits verbrauchte CPU Zeit als Kriterium. Strategie: Muss ein Prozess die CPU abgeben wird er in eine Warteschlange niederer Priorität eingefügt. Da die Zeitintervalle eine feste Größe haben, modellieren Warteschlangen verschiedener Prioritäten verbrauchte CPU-Zeit. WS 2009/10

Feedback Alle Warteschlangen FCFS, letzte Warteschlange RR. WS 2009/10

Feedback Analyse Prozesse, die in der Vergangenheit viel CPU Zeit verbraucht haben, werden bestraft. Lange Jobs werden bestraft (können „verhungern“). Abhilfe: Wechseln von niedrigster Priorität zurück in die höchste. Neuberechnung der Priorität in gewissen Zeitabstände unter Einbeziehen von Wartezeit etc.... Feedback-Scheduling wird in modifizierter Form auf verschiedenen UNIX Systemen eingesetzt. WS 2009/10

Garantiertes Scheduling Strategie Gebe Benutzern / Prozessen Garantien, die einzuhalten sind. n Prozesse gleicher Priorität: jedem wird 1/n der CPU versprochen Dynamische Priorität = (garantierte Zeit) / (tatsächlich verbrauchte Zeit) , Wobei garantierte Zeit = (Zeit seit Prozesserzeugung) / n Bediene Prozesse in Reihenfolge fallender Priorität. Hier: Gleichbehandlung, keine Unterscheidung zwischen CPU-lastigen und interaktiven Prozessen. WS 2009/10

Lotterie Scheduling (Waldspurger, Weihl, 1994) CPU-Zeit wird in regelmäßigen Abständen verlost. Wichtige Prozesse haben mehr Lose als andere. Weitergabe von Losen zwischen kooperierenden Prozessen ist möglich. Ähnlich vorhersagbarer CPU-Anteil wie bei „Garantiertem Scheduling“. Einfachere Implementierung WS 2009/10

Zusammenfassung Es gibt viele verschiedene Scheduling-Strategien. Qualität verschiedener Ansätze hängt ab von Anwendung / Anforderung. Exakter Vergleich schwierig, da meistens Kostenfunktion / genaue Ziele des Scheduling nicht formal spezifiziert sind. Meist Analyse durch Simulationen. Analytische Methoden: Warteschlangentheorie WS 2009/10