Capítulo 5: Escalonamento de
CPU
Operating System Concepts – 8th Edition
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Conceitos básicos
 Utilização máxima da CPU obtida com a multiprogramação

Execução de processos consiste de ciclos contendo rajadas
de requisições a CPU e tempo de espera por I/O
Operating System Concepts – 8th Edition
5.2
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Ciclo de uso da CPU
Operating System Concepts – 8th Edition
5.3
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Histograma do tempo da rajada de
requisições para a CPU
Operating System Concepts – 8th Edition
5.4
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonador de CPU

O escalonador escolhe um processo na fila ready e aloca a CPU para ele

A fila pode ser ordenada de acordo com diferentes critérios
Fila de prontos (ready): Novos processos que ainda não
acessaram a CPU, processos em execução que foram retirados da
CPU devido a uma interrupção e processos que estavam
esperando uma resposta de I/O e receberam essa resposta
Operating System Concepts – 8th Edition
5.5
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonador de CPU

Decisões de escalonamento de CPU são tomadas quando um processo:
1.
Sai do estado de execução (running) para o estado de espera (waiting)

2.
Sai do estado de execução (running) para o estado de pronto (ready)

3.
Ocorre quando acontece uma interrupção de clock
Sai do estado de espera (waiting) para o estado de pronto (ready)

4.
Ocorre quando existe uma solicitação de I/O
Ocorre quando acontece uma interrupção avisando o fim de uma
operação de I/O
Termina

O escalonamento nas condições 1 e 4 é não preemptivo ou colaborativo

O escalonamento nas condições 2 e 3 é preemptivo
Operating System Concepts – 8th Edition
5.6
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonador de CPU

Preempção

Interrupção de clock

Interrupção de I/O

Troca de contexto irá depender do escalonador
Operating System Concepts – 8th Edition
5.7
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonador de CPU – Acesso a dados
compartilhados
Processo 1
Processo 2
Variável A compartilhada
Variável A compartilhada
Leia do disco
Leia variável A
Escreve resultado em A
Escreve resultado na tela
Execução
•
SO escolhe P1
•
•
•
P1 lê do disco e começa a escrever o resultado em A
x x x
... x x x
1 0 1
... x x x
1 0 1
... 0 0 0
SO para P1 e dá a vez a P2
•
P2 lê valor inconsistente em A
•
P2 escreve valor inconsistente (1 0 1 1 x x x x) na tela
P2 termina e passa a vez a P1
•
P1 acaba de escrever resultado em A
Operating System Concepts – 8th Edition
5.8
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonador de CPU – Preempção no
modo kernel
 Se o sistema operacional aplicasse preempção sobre o seu próprio
funcionamento durante chamadas de sistema:
Processo 1
Processo 2
Leia do disco
Leia do disco
Escreve resultado em A
Escreve resultado na tela
Chamadas de sistema
Operating System Concepts – 8th Edition
5.9
Controle passa para o kernel
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonador de CPU – Preempção no
modo kernel
 Se o sistema operacional aplicasse preempção sobre o seu próprio
funcionamento durante chamadas de sistema:
Execução
•
SO escolhe P1
•
•
•
P1 faz chamada de sistema para leitura de disco
• geral,
PassagemSOs
para o não
modo kernel
e inicio
da atualização
do ponteiro de
leitura de
Em
fazem
troca
de contexto
durante
disco
chamadas de sistema!
SO para P1 e dá a vez a P2
•
P2 faz chamada de sistema para leitura de disco
•
Passagem para o modo kernel e inicio da atualização do ponteiro de
leitura de disco, sobrescrevendo dados de P1
SO para P2 e dá a vez a P1
•
Fim da atualização do ponteiro para P1
•
(...)
Operating System Concepts – 8th Edition
5.10
Valor inconsistente
no ponteiro
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Despachante
 O despachante dá ao processo selecionado pelo escalonador o
acesso a CPU. Para tanto, ele realiza:

Troca de contexto

Comutação para o modo usuário

Direcionamento para a parte adequada do programa do usuário
para reiniciar o programa
 Latência de despacho– tempo que o despachante gasta entre
parar um processo e iniciar outro
Operating System Concepts – 8th Edition
5.11
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Critérios de Escalonamento

Utilização de CPU


Vazão


Diminuir o tempo para executar um certo processo (tempo de execução +
tempo em filas)
Tempo de espera


Aumentar o número de processos que são terminados por unidade de
tempo
Tempo de Turnaround


Manter a CPU utilizada pelo maior tempo possível
Diminuir o tempo que o processo espera na fila de prontos (ready) (tempo
em filas)
Tempo de resposta

Diminuir o tempo entre a submissão de um pedido e a obtenção da
primeira resposta (não necessariamente a saída do processo) (tempo de
execução até primeira resposta + tempo em filas)
Operating System Concepts – 8th Edition
5.12
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Algoritmos de escalonamento

First-Come, First-Served (FCFS) Scheduling

Shortest-Job-First (SJF) Scheduling

Shortest-remaining-time-first

Escalonamento por prioridade

Round Robin (RR)

Filas multiníveis

Filas multiníveis com realimentação
Operating System Concepts – 8th Edition
5.13
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
First-Come, First-Served (FCFS) Scheduling
 Semelhante à fila FIFO, sem preempção
Processo Tempo de Rajada
P1
24
P2
3
P3
3
 Assuma que os processos cheguem na ordem: P1 , P2 , P3
Então:
P1
0
P2
24
P3
27
30
 Tempo de espera: P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27
 Tempo de espera médio: (0 + 24 + 27)/3 = 17
Operating System Concepts – 8th Edition
5.14
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
FCFS Scheduling (Cont.)
 Agora, assuma que os processo chegam na ordem: P2 , P3 , P1
Então:
P2
P3
P1
0
3
6
 Tempo de espera: P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3
30
 Tempo de espera médio: (6 + 0 + 3)/3 = 3

Muito melhor que no exemplo anterior
 Efeito comboio

Processo pequeno após processos longos pode causar uma baixa
utilização da CPU
Operating System Concepts – 8th Edition
5.15
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
FCFS
 Efeito comboio
P1
P2
P2
P3
Ocioso
P1
P2
P2
P3
Espera por I/O de P1
Espera por I/O de P2
Espera por I/O de P3
 Desvantagens

Atrasos grandes

Baixa utilização da CPU
Operating System Concepts – 8th Edition
5.16
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Shortest-Job-First (SJF) Scheduling
 Associar cada processo com o comprimento de sua próxima
rajada de uso de CPU

O próximo processo a acessar a CPU é aquele que apresentar
o menor tempo de uso de CPU
• Não está relacionado ao tamanho do job, mas ao
tamanho esperado até o próximo pedido de E/S
• Pode ter ou não preempção
Operating System Concepts – 8th Edition
5.17
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Shortest-Job-First (SJF) Scheduling
 SJF é um algoritmo ótimo para garantir o tempo médio mínimo

Garante um tempo de espera médio mínimo dado um conjunto
de processos

Problema
 Descobrir
qual o tempo da rajada de uso de CPU
Ideal apenas para garantir o tempo médio mínimo. Um
processo orientado a CPU em meio a inúmeros processos
orientados a I/O pode nunca conseguir o acesso à CPU
Operating System Concepts – 8th Edition
5.18
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Exemplo de SJF
Tempo de chegada do processo
Tempo de rajada
P1
0.0
6
P2
2.0
8
P3
4.0
7
P4
5.0
3
 Então:
P4
0
P3
P1
3
9
P2
16
24
 Tempo de espera médio = (3 + 16 + 9 + 0) / 4 = 7
Operating System Concepts – 8th Edition
5.19
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Determinando o tempo da próxima
rajada de CPU
 Pode ser apenas estimado

Portanto, é escolhido o processo com menor tempo previsto
 Estimativa pode ser feita utilizando o tempo das rajadas anteriores
daquele processo
1.
2.
tn = duração da n-ésima rajada de uso de CPU
 n 1 = valor previsto para a próxima rajada de uso de CPU
3.
α, 0 ≤ α ≤ 1
4.
Defina:
 n1   tn  1    n .
 Geralmente, α = ½
Operating System Concepts – 8th Edition
5.20
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Predição do comprimento da próxima
rajada de CPU
Operating System Concepts – 8th Edition
5.21
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Shortest-remaining-time-first
Versão do Menor Job Primeiro (SJF) com preempção

Exemplo:
Processo

P1
0
8
P2
1
4
P3
2
9
P4
3
5
Então:
1
P1
P4
P2
P1
0
Tempo de chegada Tempo de rajada
5
10
Ver no quadro o
funcionamento.
P3
17
26

Tempo de espera médio = [(10-1)+(1-1)+(17-2)+5-3)]/4 = 26/4 = 6.5 ms

Sem preempção: Tempo médio = 7,75 ms
Operating System Concepts – 8th Edition
5.22
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento por Prioridade

Uma prioridade é associada com cada processo

A CPU é alocada ao processo com maior prioridade (menor inteiro  maior
prioridade)

Preemptivo

Não-preemptivo

O SJF é um escalonamento por prioridade, no qual a prioridade vale o inverso
do tempo previsto para a próxima rajada de CPU

Problema  Inanição – Processos com baixa prioridade podem não ser
executados nunca

Solução  Envelhecimento – Prioridade de um processo aumenta com o
passar do tempo
Supondo uma prioridade variando de 0 a N, 0 pode representar
a mais alta ou a mais baixa prioridade. Daqui para frente, será
usada a notação de 0 como mais alta prioridade.
Operating System Concepts – 8th Edition
5.23
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Exemplo de escalonamento por prioridade
Processo

Prioridade
P1
10
3
P2
1
1
P3
2
4
P4
1
5
P5
5
2
Chegada de todos em
T0
Definida
internamente ou
externamente
Então:
0
P1
P5
P2

Tempo de rajada
1
P3
6
16
Tempo de espera médio = 8.2 ms
Operating System Concepts – 8th Edition
5.24
P4
18
19
Exemplo sem
preempção igual ao
mesmo exemplo com
preempção, pois
todos chegam ao
mesmo tempo
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Round Robin (RR)
Semelhante ao FCFS com preempção.

Cada processo recebe uma unidade de tempo pequena, chamada de quantum
de tempo (q), que usualmente vale entre 10-100 milissegundos.

Após o fim de um quantum, o processo é deixa a CPU por preempção e é
adicionado ao final da fila de prontos.
P1
P2
P3
P4
...
Pn
Fim do quantum ou espera por E/S
Operating System Concepts – 8th Edition
5.25
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Exemplo de RR com Quantum = 4

Processo
Tempo de rajada
P1
24
P2
P3
3
3
Então:
P1
0
P2
4
P3
7
P1
10
P1
14
P1
18
22
P1
P1
26
30

Tipicamente, apresenta um tempo de turnaround maior que o SJF, mas
com melhor tempo de resposta
 q deve ser grande, quando comparado ao tempo de troca de contexto
(Usualmente, q ~ 10ms a 100ms, troca de contexto < 10 us)
Operating System Concepts – 8th Edition
5.26
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Round Robin (RR)

Se existem n processos na fila de prontos e o quantum de tempo vale q, então
cada processo recebe 1/n do tempo de CPU dividido em intervalos de tempo
com q unidades de tempo. Nenhum processo esperará mais do que (n-1)q
unidades de tempo.
Ex: 5 processos, quantum = 20 ms
-Cada processo recebe 20 ms de CPU a cada 5*20=100
ms

O temporizador gera uma interrupção a cada quantum para escalonar o
próximo processo

Desempenho

q grande  FIFO

q pequeno  s q não for grande com relação ao tempo de troca de
contexto, então a sobrecarga é muito alta
Operating System Concepts – 8th Edition
5.27
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Quantum e troca de contexto
Operating System Concepts – 8th Edition
5.28
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Variação do tempo de turnaround médio
de acordo com o quantum
80% das rajadas de CPU
devem ser menores que q
Operating System Concepts – 8th Edition
5.29
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Filas Multiníveis

Fila de prontos é particionada em diferentes filas. Ex:

foreground (processos interativos)

background (processos em batch)

Processos permanentemente em uma dada fila

Cada fila tem o seu próprio algoritmo de escalonamento:


Ex:

foreground – RR

background – FCFS
O escalonamento precisa ser realizado entre filas:

Escalonamento com prioridade fixa


Ex: Servir a todos os processos de foreground antes de servir os
processos de background (Possibilidade de inanição).
Porção de tempo – cada fila obtém uma certa quantidade de tempo de CPU

Exemplo: 80% para foreground em RR e 20% para background em
FCFS
Operating System Concepts – 8th Edition
5.30
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento em filas multiníveis
Operating System Concepts – 8th Edition
5.31
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Filas multiníveis com realimentação
 Um processo pode ser movido entre várias filas

Envelhecimento pode ser implementado dessa forma
 Parâmetros do escalonador:

Número de filas

Algoritmo de escalonamento de cada fila

Método para determinar o processo de escalonamento entre
filas

Método para rebaixar um processo

Método para determinar a qual fila pertence um novo
processo
Operating System Concepts – 8th Edition
5.32
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Exemplo de Filas multiníveis com
realimentação


Três filas:

Q0 – RR com quantum de 8 ms

Q1 – RR com quantum de 16 ms

Q2 – FCFS
Escalonamento

Rebaixamento de jobs


Novos jobs na fila Q0
–
Quando o processo chega a CPU, pode ser processado por no
máximo 8 ms
–
Se precisar de mais tempo de CPU, o job é movido para a fila Q1
Na fila Q1 , o job recebe um máximo de 16 ms de tempo de CPU
–

Se não for suficiente para terminar ou fazer um pedido de I/O, ele
é posto em Q2
Entre filas: Q2 só é acessada quando não existem jobs em Q1, que por
sua vez só é acessada quando não existem jobs em Q0
Operating System Concepts – 8th Edition
5.33
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Filas multiníveis com realimentação
Sujeito a inanição!
Operating System Concepts – 8th Edition
5.34
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento de Threads

Distinção entre threads de nível de usuário e de nível de kernel

Usuário – gerenciados por biblioteca, sem interferência do kernel


Biblioteca mapeia os threads de usuário em processos leves
Kernel – gerenciados pelo kernel
Operating System Concepts – 8th Edition
5.35
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Relembrando... Modelos multithreads
Operating System Concepts – 8th Edition
5.36
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento de Threads

Distinção entre threads de nível de usuário e de nível de kernel

Usuário – gerenciados por biblioteca, sem interferência do kernel



Biblioteca mapeia os threads de usuário em processos leves
Kernel – gerenciados pelo kernel
Quando o sistema tem suporte a thread, threads são escalonados e não
processos

Cada processo é mapeado em um ou mais threads
Operating System Concepts – 8th Edition
5.37
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Relembrando....Processos e Threads
Operating System Concepts – 8th Edition
5.38
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento com múltiplos
processadores

Escalonamento de CPU é mais complexo quando múltiplas CPUs estão em
uso

Multiprocessadores

Homogêneos



Todos os processadores tem capacidades iguais
Heterogêneos
Multiprocessamento

Assimétrico

Simples
–
Um processador (mestre) cuida do escalonamento, processamento
de I/O e outras atividades do sistema
–
Demais processadores executam código de usuários
Usado em
 Simétrico
praticamente
todos os
 Cada processador cuida do seu próprio escalonamento
sistemas
 Fila de prontos pode ser única ou por processador
Silberschatz,operacionais
Galvin and Gagne ©2009
5.39
Operating System Concepts – 8 Edition
th
Escalonamento com múltiplos
processadores

Afinidade do processador

Processo tem afinidade com o seu processador corrente

Leve
–

Processo tende a ficar no mesmo processador, mas
eventualmente pode ser trocado
Forte
–
Processo especifica que não deve migrar para outros
processadores
Melhora a eficiência no uso do cache
do processador
Operating System Concepts – 8th Edition
5.40
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Exemplos de Sistemas Operacionais

Escalonamento no Solaris

Escalonamento no Linux
Operating System Concepts – 8th Edition
5.41
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Solaris

Escalonamento baseado em prioridade

Seis classes

Tempo compartilhado (padrão)

Interativo

Tempo real

Sistema

Compartilhamento justo

Prioridade fixa

Um thread só pode pertencer a uma classe de cada vez

Cada classe tem seu próprio algoritmo de escalonamento

A classe tempo compartilhado tem uma fila de múltiplos níveis com realimentação
Operating System Concepts – 8th Edition
5.42
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Tabela de despacho para classes padrão
e interativa
Próxima
prioridade
se quantum
de tempo
chegar ao
fim
Baixa
prioridade
Próxima
prioridade
de
processos
que foram
suspensos
antes de
usarem
todo o
quantum
(ex: pedido
de I/O)
Alta
prioridade
Operating System Concepts – 8th Edition
5.43
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento do Solaris

Escalonamento entre filas

Escalonador converte prioridades específicas de cada classe em uma prioridade
global por thread

O thread com a maior prioridade é o próximo a ser executado


Threads com mesma prioridade são escolhidos via RR
Thread executa até que:

Seja bloqueado

Use a sua fatia de tempo

Seja movido por preempção por um thread de maior prioridade
Operating System Concepts – 8th Edition
5.44
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento do Solaris
Operating System Concepts – 8th Edition
5.45
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento do Linux

Escalonador é executado em tempo constante, independente da carga do
sistema
 Melhora com relação à versão original, herdada do Unix
 Preemptivo

Baseado em prioridade
 Duas classes
 Tempo compartilhado e tempo real
 Quanto menor o valor, maior a prioridade

Jobs com prioridade maior ganham maior fatia de tempo
 Diferentemente do Solaris
Operating System Concepts – 8th Edition
5.46
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Prioridades e tamanho da fatia de tempo
Operating System Concepts – 8th Edition
5.47
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento do Linux

Tarefas organizadas em fila de execução (uma por processador)

Organizadas em dois arrays com prioridade (ativo, expirado)

Uma tarefa pode executar enquanto tiver tempo disponível em sua fatia

Ao terminar de usar sua fatia de tempo, a tarefa não pode ser executada
até que todas as outras tenham expirado o seu tempo
 Movida do array de ativos para array de expirados

Quando o array de ativos fica vazio, os arrays são trocados
Operating System Concepts – 8th Edition
5.48
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Arrays de ativos e expirados
Operating System Concepts – 8th Edition
5.49
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Escalonamento do Linux

Escalonamento de tempo real de acordo com o POSIX.1b


Tarefas de tempo real tem prioridade estática
Demais tarefas com prioridade dinâmica

Escalonador favorece tarefas interativas

Tarefas interativas tem muito I/O e, consequentemente, grande tempo de
suspensão

Atualização de prioridade feita com base no tempo de suspensão (de -5 a +5)

–
Tempos de suspensão maiores levam a reduções maiores no valor da
prioridade (aumento da prioridade) – Processos limitados por I/O
–
Tempos de suspensão menores levam a aumentos maiores no valor da
prioridade (redução da prioridade) – Processos limitados por CPU
A atualização da prioridade é feita quando a tarefa expira
Operating System Concepts – 8th Edition
5.50
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009
Fim do capítulo 5
Operating System Concepts – 8th Edition
Silberschatz, Galvin and Gagne ©2009