OPERÁCIÓS RENDSZEREK. A mai program. Fogalmak. Ütemezés és a Context Switch

Átírás

1 OPERÁCIÓS RENDSZEREK Ütemezés és a Context Switch A mai program A CPU ütemezéshez fogalmak, alapok, stratégiák Időkiosztási algoritmusok VAX/VMS, NT, Unix időkiosztás A Context Switch implementáció Ütemezés, Vadász, Ea6 2 Fogalmak Erőforrásokat Hozzárendelünk processzekhez (allokáció); A használatukat időben beosztjuk (időkiosztás, scheduling); Kapcsoljuk azokat a kiosztott időpillanatban (dipatching és switch). Most a processzor üzemezésről lesz szó (Az egyéb erőforrás ütemezés kérdéskör a kölcsönös kizárás probléma kezelésénél előjön majd ) A CPU meglehetősen fontos (és jellegzetes) erőforrás. Érdemes ütemezését külön tárgyalni. Ütemezés, Vadász, Ea6 3 1

2 A probléma Több processz van, mint processzor A processzek osztozzanak egy CPU idején. (Tegyük fel: minden processzhez rendeltek (ez az allokáció) egy CPU-t.) Emlékezz a processz állapotokra: ha letelt az időszelete a futó processznek, Vagy ha maga blokkolt állapotba megy (ezzel lemond a CPU-ról), akkor a futásra kész processzekből válasszunk ki egyet (ez a scheduling), és kapcsoljuk neki a CPU-t (ez a dispathing és a Context Switch második fele). Ütemezés, Vadász, Ea6 4 Tágítjuk a problémát: ütemezési szintek Long-term-scheduling (hosszútávú) JOB ütemezés: JOB/taszk pool-ból melyiket válasszuk ki futásra. A multiprogramozási szintet befolyásolja. Medium-term-scheduling (középtávú) suspended (futásra nem kész, partially executed, outswapped) processzek közül melyeket helyezzük futásra késszé (memória igény is érdekes) Short-term-scheduling (rövidtávú) futásra kész processzek közül melyik kapja a CPU-t. A továbbiakban ezzel foglalkozunk. (Ezzel ismét szűkítünk.) Ütemezés, Vadász, Ea6 5 Mit várunk el? Pártatlanság: minden processz (taszk) korrekt módon, de nem feltétlenül egyenrangúan kapja meg a processzort Hatékonyság: a CPU lehetőleg legnagyobb százalékban legyen kihasználva Válaszidő (interaktív felhasználóknak): elfogadható legyen Fordulási idő (kötegelt munkák): elfogadható legyen Teljesítmény: időegységre eső JOB, taszk, processz feldolgozás (más, mint a CPU kihasználás!) jó legyen Látható ellentmondások! Ütemezés, Vadász, Ea6 6 2

3 Technikai alapok Óraeszköz periodikusan megszakításokat generál Az időt szeletekre (time slice, quantum) bonthatjuk A CPU felhasználás idejét, a processzek életidejét stb. számon tarthatjuk Bizonyos időnként az állapotokat kiértékelhetjük, és CPU kapcsolást valósíthatunk meg Ütemezés, Vadász, Ea6 7 Az óraeszköz A programozható óra 3 komponensből áll: oszcillátor kristály: nagy pontossággal periodikusan jeleket generál (tipikusan 5-100MHz). Számláló (counter): ami dekrementálja az értékét minden a kristály által generált jelre. Mikor a számláló eléri a 0 értéket, IT generálódik. Tartó regiszter (holding register): az óra indulásakor (oneshot mode) vagy a counter 0-vá válásakor (square-wavemode) tartalma betöltődik a számlálóba, ezzel szabályozhatjuk, milyen gyakran keletkezzen IT (clock tick rate). Pl. egy 1MHz-es kristály (1μs-ként ad jelet), 16 bites regiszterekkel programozható 1μs-től μs-ig tartó óra ütés (clock-tick) tartományba. Ütemezés, Vadász, Ea6 8 Az óraeszköz IT kezelőjének feladatai A napi idő karbantartása, a futó processz által felhasznált CPU idő számolására, a processz időkvantuma lejártának megállapítására, ütemező meghívására, alarm szignál generálására (amikorra azt egy processz igényelte), "watchdog timer"-t biztosíthat (pl. floppy kezelésnél: felpörgetés, lehet I/O; ugyanekkor indul a wd-timer, ami leállítja a pörgetést, ha nem jön újabb i/o kérés) Segíti a profiling-ot, monitoring-ot, statisztikáz. Ütemezés, Vadász, Ea6 9 3

4 Napi idő karbantartás Egy számláló (64 bites) a napi időt (time-of-day) nyilvántartja óra-ütésekben (clock-tick), vagy 2 számláló: sec-ben + "ütésszám a kurrens sec-ben" (32 bit a sec-nak, 16 bit tickeknek) egy fix időhöz képest (Unix: jan 1. 12:00-tól) a bootolási időtől (32 bit a tick-számlálónak, 32 bit a secben mért betöltési időnek). A rendszergazda által adott dátum-idő átszámítódik clocktick-ekbe, és beíródik a számlálóba. Az óra kezelő (clock driver, clock IT handler) ütésenként növeli ezt a számlálót (számlálókat) Ütemezés, Vadász, Ea6 10 CPU idő nyilvántartás A processzhez tartozó számláló ütésenként inkrementálódik, ha a processz futó állapotú. Megoldható, hogy külön számláljuk a felhasználói módú és a kernel módú CPU használatot (persze, kis hibák itt lehetnek). Az idő-szelet nyilvántartása A quantum, time-slice nyilvántartáshoz a context switch esetén egy számlálót (akár processzenkénti számlálót) feltöltünk óra-ütésekben mért időszelet értékkel, majd ezt ütésenként dekrementáljuk. A számláló 0-vá válása jelzi a quantum lejártát Ütemezés, Vadász, Ea6 11 Időzítő (alarm, watchdog-timer) Idők lejártát ütésekben (tickek-ben) adott számlálók 0- vá válása jelezheti. Számlálók (órák) időben rendezett láncolt listáját tartjuk fel, a számlálókban a következő szignál ideje (tick-ben). A lista elején lévő számlálót dekrementáljuk. Pl. Kurrens idő: 4200, S1:4203, S2:4207, S3:4213 Kurrens idő 4200 Következő szignál 3 Clock header 3 S1 4 S2 6 S3 Ütemezés, Vadász, Ea6 12 4

5 Vissza az ütemezéshez: technikai alapok Óraeszköz periodikusan megszakításokat generál Az időt szeletekre (time slice, quantum) bonthatjuk A CPU felhasználás idejét, a processzek életidejét stb. számon tarthatjuk Bizonyos időnként az állapotokat kiértékelhetjük, és CPU kapcsolást valósíthatunk meg Ütemezés, Vadász, Ea6 13 Döntési stratégiák Nem beavatkozó (non-preemptive) run-to-completion jellegű együttműködő (kooperative) Szelektív beavatkozó Beavatkozó (preemptive): akkor is elveszik a CPU-t egy processztől, ha az nem akar lemondani róla Ütemezés, Vadász, Ea6 14 Ütemezési döntési helyzetek 1 Egy processz wait állapotátmenete. 2 Egy processz preemption állapotátmenete (pl. megszakítás bekövetkezése miatt). 3 Egy processz signal állapotátmenete. 4 Egy processz terminálódása. (4) exit running (1) sleep/wait/request (2) preempt schedule/run blocked (3) signal/assign ready waiting Ütemezés, Vadász, Ea6 15 5

6 Ütemezési döntési helyzetek 1 Egy processz wait állapotátmenete. 2 Egy processz preemption állapotátmenete (pl. megszakítás bekövetkezése miatt). 3 Egy processz signal állapotátmenete. 4 Egy processz terminálódása. A processz szempontjából az 1. és 4. helyzet nem döntési helyzet. Az viszont a 2. és a 3. számú. Ha ütemezési döntések csak az 1., 4. helyzetekben lehetségesek: nem beavatkozó az ütemezés. Ütemezés, Vadász, Ea6 16 A leegyszerűsített forgatókönyv A futó processz ideje lejárt (egy logikai óra, számláló lejárt, ütésére egy IT kezelő működésbe lép), vagy a futó processz blokkolt állapotba menne; A kezelő (a sheduler) kiértékel, és kiválasztja a futásra kész processzekből a nyertest (ez egy prioritás számítás, optimum számítás); Majd megtörténik a kapcsolás Ütemezés, Vadász, Ea6 17 Mi befolyásolhatja a kiválasztást? Prioritás = fontosság. Mi befolyásolhatja? A processzek memóriaigénye A processzek érkezési ideje vagy érkezési sorrendje Az eddigi CPU felhasználási idő * Vö.: CPU lázas processzek szemben I/O lázas processzek A várható CPU felhasználási idő * Vö.: Számolásigényes processzek szemben I/O igényes processzek. Vajon lehet-e időt becsülni? A processz időszerűsége ** Vö.: interaktív processzek szemben kötegelt munkák, CPU lázas szakaszok szemben az I/O lázas szakaszok. Rendszer terhelés befolyása. Valós idejű processzek problémája kezelendő. Ütemezés, Vadász, Ea6 18 6

7 Egy kis fogalom magyarázat A processz életében lehetnek CPU lázas időszakaszok (CPU burst) I/O lázas időszakaszok (I/O burst) Vannak Számolásigényes (CPU bound) processzek (hosszú CPU lázas szakaszokkal); I/O igényes (I/O bound) processzek (rövid CPU lázas szakaszok, sok I/O lázas szakasz). Ütemezés, Vadász, Ea6 19 Melyik ütemezési prioritása legyen magasabb? Egy processz állapotátmenetei CPU lázas időszakában Egy processz állapotátmenetei I/O lázas időszakában Fut Fut Blokkolt Ready Blokkolt Ready Ütemezés, Vadász, Ea6 20 Az ütemezési algoritmusok Mi (milyen) a prioritásfüggvény? Az igény-bejelentési sorrend (First Come, First Served) (Long- és Medium-term ütemezéshez) A legkisebb igény (Shortest Job First) (Long- és Mediumterm ütemezéshez) Valamilyen ígéret (ígéret-vezérelt időkiosztás) (Policy Driven Scheduling) Körkörös sorrend (Round-Robin Scheduling) Több összetevőtől függő (Többszintes prioritás-sorokon alapuló visszacsatolásos) (Multilevel Feedback Queue Scheduling) Ütemezés, Vadász, Ea6 21 7

8 First Come, First Served A processzek készletében (Process Pool) lévő processzek a beérkezési sorrendjük szerint kapnak CPU-t. Egyszerű a megvalósítás. Kialakulhat a convoy effect : korábban érkezett CPU lázas szakaszú processz lefogja a CPU-t. (Országúton lassú jármű mögött sorban a gyorsabbak) Ütemezés, Vadász, Ea6 22 Shortest Job First Régi, egyszerű. A nyomtató kiszolgálási sorokból ütemezésre még ma is használják. Az átlagos fordulási idő a legkisebb. CPU ütemezéshez: hogyan lehetne megmondani előre a várható időigényt? Idősorozatokkal jellemezhető munkákhoz az aging (öregedés) algoritmus. Ütemezés, Vadász, Ea6 23 Aging algoritmus 0, 1, 2,...,i,.. CPU lázas szakaszok ismétlődnek (nem egyforma időt igényelve). Becsülhetjük a következő idejét (T i : tényleges, mért; B i : becsült): B i+1 = a * T i + (1 - a) * B i ; ahol 0 <= a <= 1. Legyen a = 1/2, ekkor (a: súlyozó faktor) B i+1 = (T i + B i ) / 2 i i +1 i + 2 i + 3 i + 4 i + 5 T i B i Ütemezés, Vadász, Ea6 24 8

9 Policy Driven Scheduling Reális ígéret: n számú processz esetén 1/n-ed részét kapja egy processz a CPU-nak. Mérni kell az élet-idő-t (a rendszerben eddig eltöltött idejét), és cpu-idő-t (eddig felhasznált CPU időt), számítandó a jogosultsági-idő = élet-idő / n; prioritás = jogosultsági-idő / cpu-idő. Más ígéretek is lehetnek Az ígéret-vezérelt időkiosztás speciális esete a valós idejű (Real Time) időkiosztás. Ütemezés, Vadász, Ea6 25 Round Robin Egyszerű, elég régi algoritmus. Időszeleteket (quantum) rendelünk a processzekhez. A kész állapotú processzek egy soron nyilvántartottak. Egy processz futhat, amíg a időszelete tart (ha blokkolódik, akkor addig sem fut). Lejárt szeletű (preempted) processz a sor végére kerül. A sor elején álló kapja a CPU-t. A listán a processzek körben járnak. Ütemezés, Vadász, Ea6 26 Multilevel Feedback Queue Scheduling Több ready sor van, a különböző prioritási szintekhez Elvileg lehet minden sorhoz más-más scheduling/prioritás algoritmus Pl. interaktív processzekhez preemptív FCFS, vagy MLFQ Batch processzekhez SJF Valós idejű (Real Time) processzekhez fix prioritás Minden sorhoz rendelhetünk időszeletet Kell egy módszer: mikor, mennyivel csökkentsük a prioritást Kell egy módszer (algoritmus), mikor mennyivel növeljük a prioritást (visszacsatolás) Preempted/blocked/signaled processz a neki megfelelő sor végére kerüljön Kell egy módszer, melyik sorról "kapcsoljunk" Pl. a legegyszerűbb: a legmagasabb sorról az elsőt. Ütemezés, Vadász, Ea6 27 9

10 VAX VMS scheduling Multilevel feedback jellegű, alkalmas real time-ra is. 32 prioritási szint. Nagyobb szám: nagyobb prioritás : a valós idejű processzek számára. Nem dinamikus! 0-15: reguláris processzeknek, dinamikusan számítódik. A processz bázis-prioritása: minimális prioritása. Rendszerhívásokhoz rögzített prioritás növekmény. Mikor a processz futásra késszé válik, a növekmény hozzáadódik a bázis-prioritáshoz, és a megfelelő sorra kerül processz. Scheduled processz prioritása egy szinttel csökken (határ a bázis-prioritás). Ha elveszik tőle a CPU-t, erre az új sorra kerül. Sokáig várakozókat eggyel följebb emelik (no starvation). A scheduler a legmagasabb prioritás sor elejéről választ. Ütemezés, Vadász, Ea Kernel mód prioritástartomány Küszöb prioritás User mód prioritástartomány n Unix időkiosztás Nem megszakítható Megszakítható Swapper Diszk I/O várakozás Várakozás bufferre Várakozás i-bögre Karakter I várakozás Karakter O várakozás Gyermek exitre várakozás U k szint U k +1 szint U k + 2 szint U k + 3 szint U k + 4 szint... U n szint Ütemezés, Vadász, Ea6 29 A Unix időkiosztása A processzeknek user-mode vagy kernel-mode prioritásértéke lehet. Az előző dinamikus, ezek lehetnek preempted processzek. Utóbbi fix érték. Ezekre nincs preempció. Küszöb prioritás szint elválaszt. A user-mode prioritások (p_usrpri) dinamikusan igazítódnak. A p_cpu mező a futó processznél a CPU használattal arányosan nő. A p_cpu mezőt quantumonkként öregbítik (aging): p_cpu = p_cpu / const1; (rendszerint const1 = 2). Ütemezés, Vadász, Ea

11 A Unix időkiosztása 2 A prioritás kiszámítódik (kisebb érték jelenti a nagyobb prioritást!): p_usrpri=puser+p_cpu/const2 + p_nice/const3; (Rendszerint const2=const3=2;). A PUSER a processz bázis prioritása, külső prioritás. A p_nice a nice() rendszerhívással (felhasználói kontrollt lehetővé tevő) beállított érték. A p_usrpri a küszöb érték alá, egy beállított érték fölé nem mehet. Ütemezés, Vadász, Ea6 31 Egy példa Quan tum 1 A processz p_uspri p_cpu 60 0 B processz p_uspri p_cpu 60 0 C processz p_uspri p_cpu 63 7 Egy rendszerben a PUSER=60. Ha egy processz megkapja a CPU-t és quantumában végig használja, a p_cpu növekmény legyen 60. Legyen 3 processz (A, B, C), induláskor a C p_cpu-ja 7, a másik kettőé 0. Induláskor a p_uspri C-nél 63, a másik kettőnél 60. Mindhárom processznél a p_nice érték 0 legyen. Követhetjük, hogyan változnak a prioritások, melyik processz kap CPU-t Ütemezés, Vadász, Ea6 32 BSD 4.3 Scheduling Quantum=0.1 sec; const2=4; const3=2; const1 dinamikusan számítódik: const1=(2*load+1)/(2*load); ahol load a run queue álagos hossza az utóbbi 1 percben Ugyanekkor a p_cpu öregbítés nem quantumonként, hanem 1 sec-enként történik csak! Az 1 sec-nél hosszabb ideig blokkolt processzeknél const1 a blokkolási időtől is függ! Ütemezés, Vadász, Ea

12 NT Scheduling a fonalakra Van standby állapot is: a legnagyobb prioritású futásra kész. A standby-t ütemezik ki. 32 prioritási szint, 16-31: valósidejű, 0-15: normál, változó (mint a VAX/VMS-nél) Lejárt quantumú fonál prioritás 1-gyel csökken (a bázisig). Kész állapotba jutó fonál prioritása növekszik, a blokkolódása típusától függően A legmagasabb kész sor első fonala standby állapotúra változik. Ha nincs ilyen, az idle fonál lesz standby. Ütemezés, Vadász, Ea6 34 Linux scheduling A POSIX nek megfelelően több ütemezési osztály van (processzenként beállítható) SCHED_FIFO, SCHED_RR, SCHED_OTHER A schedule( ) függvény hívódik ha processz blokkolt állapotba megy, Minden syscall és "slow" IT után, ha egy flag beállított. A schedule( ) függvény 3 dolgot csinál "szokásos" teendőket (miknek az óra IT kezelőben kellene lenniük, de "hatékonyság" miatt itt vannak) Legmagasabb prioritású processz meghatározása Context Switch Ütemezés, Vadász, Ea6 35 A CPU allokálás: Context Switch A futó processz hardver kontextusát (dinamikus részét) lementjük valahová, a kiválasztott processz kontextusát felvesszük. Legfontosabb a programszámláló (PC, IP) lementése, felvétele. Lementés történhet wait (blokkolódás) állapot-átmenetnél, vagy preemption állapot-átmenetnél is. A felvétel schedule átmenetet okoz. Ütemezés, Vadász, Ea

13 Hova mentsük le a dinamikus kontextust? Lehetne a Process Table sorába (PCB-be). Hátrány: nagy lesz a tábla, a lementés/felvétel hardveresen nem támogatott. Veremtárba. Előny: hardveres push/pop is van. Felhasználói szintű verembe? Nem. Közös kernel verembe? Processzenkénti kernel verembe? Egyes CPU-kban többszörös regiszterkészlet! Egyes CPU-knak van védett módú processz kapcsolás gépi instrukciójuk! Ütemezés, Vadász, Ea6 37 Unix processz kontextus komponensek A kontextus statikus része Felhasználói szintű kontextus Program szöveg Adatok Veremtár Osztott adatok Rendszer szintű kontextus statikus része Process Table bejegyzése U Area Processzenkénti Region Table A kontextus dinamikus (volatile)része Keret a 3. rétegnek Keret a 2. rétegnek Keret az 1. rétegnek Felhasználói szint Ütemezés, Vadász, Ea6 38 Egy lehetséges mechanizmus Lásd a Unix processz kontextus ábrát (előző dia): keretek a processz kernel veremben a dinamikus kontextus részére. Hány keret kell? Mikor keletkezik új réteg? rendszerhívással (trap) belépünk a kernelbe; megszakítással belépünk a kernelbe; preemption következett be. Megszűnik egy réteg, ha rendszerhívásból visszatérünk user szintre; megszakítás kiszolgálásból vissztérünk; schedule átment következett be. Ütemezés, Vadász, Ea

14 A kapcsolás lépései Döntés, legyen Context Switch. A save-context() algoritmussal a kurrens processz dinamikus kontextusának lementése; A legjobb processz kiválasztása (scheduling algoritmusok!) A resume-context() algoritmussal a kiválasztott processz kontextusának felvétele. Tételezzük fel: R0 regiszterben van a függvények visszatérési értéke, PC a programszámláló, PSW a státus regiszter. Ezekre van hardveres push/pop. Ütemezés, Vadász, Ea6 40 int save_context() { R0 0; Pszeudókódok 1 SWIT { HW-PUSH(PC,PSW); PUSH (altalanos regiszterek); /* lementődött a keret, R0=0-val */ R0 (-1); JUMP Return-re; } Return(R0); } /* A HW-PUSH-nál a PC a Return-re mutat. Látjuk majd, két visszatérés van ebből. Először a JUMP Return miatt (R0=-1-gyel), másodszor a PC felvétele miatt (de akkor előtte az R0-t is felveszik, az meg 0 lesz, tehát R0=0-val). */ Ütemezés, Vadász, Ea6 41 Pszeudókódok 2 int resume_context(pid_t pid) { A pid-del azonosított processz verméről vedd vissza az általanos regisztereket; POP PSW; POP PC; /* ide a vezérlés nem juthat el */ } /* Miért nem jut oda a vezérlés? Mert a visszavett PC a save_context Return-jére mutat! */ Ütemezés, Vadász, Ea

15 A Context Switch pszeudókódja... if (save_context()){ Ütemezz másik processzt, ennek pid-je = new_pid; resume_context(new_pid); /* ide a vezérlés nem juthat el */ }... /* Innen futhat a visszavett kontextusú processz */ /* Ne feledjük, a save_context-ből két visszatérés is van: az ifnek először nem-nulla értéket ad (és belefut a schedulingba), másodszor 0-val visszatérve kikerüli azt. */ Ütemezés, Vadász, Ea6 43 A vezérlés menete Dönt; if(save_context( )) { npid = Ütemez; A B Resume_context(npid); IT } 2nd; D S 2nd Ü R IRET Ütemezés, Vadász, Ea6 44 Volt már ilyen, emlékezzünk... #include <setjmp.h> jmp_buf env; int i = 0; main () { if (setjmp(env)!= 0) { (void) printf("2nd from setjmp: i=%d\n", i); exit(0); } (void) printf("1st from setjmp: i=%d\n", i); i = 1; g(); /*NOTREACHED*/ } g() { longjmp(env, 1); /*NOTREACHED*/ } Ütemezés, Vadász, Ea

16 Összefoglalás Foglakoztunk az Alapokkal, stratégiákkal Időkiosztási algoritmusokkal VAX/VMS, NT, Unix időkiosztással A Context Switch implementációval Ütemezés, Vadász, Ea6 46 OPERÁCIÓS RENDSZEREK Ütemezés és a Context Switch Vége 16