Počítačové sítě a operační systémy Jaromír Plhák, 06.03.2017PB169 Počítačové sítě a operační systémy Jaromír Plhák xplhak@fi.muni.cz Plánování CPU Správa paměti PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 2 z 42 Motivace k plánování • V multitaskingových systémech existuje více procesů připravených k běhu • Procesorů je ve výpočetním systému (prakticky vždy) méně než procesů • OS musí rozhodovat, který proces poběží jako příští, tj. kterému procesu přidělí (případně na omezenou dobu) procesor PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 3 z 42 Stavy procesu PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 4 z 42 Plánovače v OS (1) • Dlouhodobý plánovač (strategický plánovač, job scheduler) – Vybírá který požadavek na výpočet lze zařadit mezi procesy – Definuje stupeň multiprogramování – Je vyvoláván řídce, nemusí být rychlý – Nejlepšího výsledku dosáhneme při vhodné kombinaci procesů orientovaných na I/O a na využití CPU PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 5 z 42 Plánovače v OS (2) • Střednědobý plánovač (taktický plánovač) – Logicky náleží částečně i do správy hlavní paměti (FAP) – Taktika využívání omezené kapacity FAP při multitaskingu – Vybírá který proces je nutné zařadit mezi odložené procesy (odebírá mu prostor ve FAP) – Vybírá kterému odloženému procesu lze opět přidělit prostor ve FAP • Krátkodobý plánovač (operační plánovač, dispečer, dispatcher) – Reprezentace správy procesoru(-ů) – Vybírá proces, který poběží na uvolněném procesoru a přiděluje procesu procesor (CPU) – Vyvoláván velmi často, desítky až stovky milisekund, musí být rychlý PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 6 z 42 Plánovače v OS (3) PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 7 z 42 Kritéria kvality plánování (1) • Uživatelsky orientovaná kritéria – Doba obrátky, Turnaround time • Doba běhu + doba čekání na zdroje vč. CPU • Vhodná míra pro dávkové zpracování • Přirozená je snaha o minimalizaci doby obrátky v dimenzi doby čekání • Normalizovaná doba obrátky = doba obrátky I doba běhu – Doba reakce, Response time • Míra pro interaktivní systémy • Doba od zadání požadavku do doby očekávané reakce • Cíl – snaha o minimalizaci pro co největší komunitu uživatelů • V interaktivně orientovaných systémech mívají interaktivní úlohy přednost před dávkovými úlohami – Časové limity PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 8 z 42 Kritéria kvality plánování (2) • Systémově orientovaná kritéria – Propustnost, Throughput • Počet procesů dokončených za jednotku času • Přirozená je snaha o maximalizaci propustnosti • Požadavek dosažení vysoké propustnosti nebývá kompatibilní s požadavkem minimalizace doby obrátky – Využití CPU • Maximalizace ve víceuživatelských systémech • Pro real-time systémy a jednouživatelské systémy nepodstatné kritérium – Spravedlivost, Fairness • Porovnatelné procesy musí získat porovnatelnou obsluhu • Pokud uživatel nebo systém neřekne jinak, mají všechny procesy stejnou šanci, vč. ochrany před stárnutím PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 9 z 42 Plánování CPU – Dispečer • Vybírá proces, kterému bude přidělen CPU • Vybírá jeden z procesů, které jsou zavedeny operační paměti a které jsou „připravené“ • Plánovací rozhodnutí může vydat v okamžiku, kdy proces – 1. přechází ze stavu běžící do stavu čekající – 2. přechází ze stavu běžící do stavu připravený – 3. přechází ze stavu čekající do stavu připravený – 4. končí • Případy 1 a 4 se označují jako nepreemptivní plánování (plánování bez předbíhání) • Případy 2 a 3 se označují jako preemptivní plánování (plánování s předbíháním) PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 10 z 42 Dispečer • Předání procesu procesoru zahrnuje – Přepnutí kontextu – Přepnutí režimu procesoru na uživatelský režim – Skok na odpovídající místo v uživatelském programu pro opětovné pokračování v běhu procesu • Dispečerské zpoždění (Dispatch latency) – Doba, kterou potřebuje dispečer pro pozastavení běhu jednoho procesu a start běhu jiného procesu PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 11 z 42 Algoritmus FCFS (1) • Algoritmus „Kdo dřív přijde, ten dřív mele“ (First Come, First Served), FCFS • Máme 3 procesy P1 (vyžaduje 24 dávek CPU), P2 (vyžaduje 3 dávky CPU), P3 (vyžaduje 3 dávky CPU) • Procesy vznikly v pořadí – P1, P2, P3 • Ganttovo schématické vyjádření plánu • Doby čekání – P1 = 0, P2 = 24, P3 = 27 • Průměrná doba čekání – (0+24+27)/3 = 17 P1 P2 P3 24 27 300 PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 12 z 42 Algoritmus FCFS (2) • Varianta jiná – procesy vznikly v pořadí P2, P3, P1 • Ganttovo schématické vyjádření plánu • Doby čekání – P2 = 0, P3 = 3, P1 = 6 • Průměrná doba čekání – (6+0+3)/3 = 3 • To je mnohem lepší výsledek než v předchozím případě, i když se jedná o stejné procesy a stejný plánovací algoritmus • Krátké procesy následující po dlouhém procesu ovlivňuje „konvojový efekt“ P1P3P2 63 300 PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 13 z 42 Round Robin (RR) (1) • Každý proces dostává CPU na malou jednotku času – časové kvantum – Desítky až stovky ms • Po uplynutí této doby je běžící proces předběhnut nejstarším procesem ve frontě připravených procesů a zařazuje se na konec této fronty • Je-li ve frontě připravených procesů n procesů a časové kvantum je q, pak každý proces získává 1/n doby CPU, najednou nejvýše q časových jednotek PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 14 z 42 Round Robin (RR) (2) • Žádný proces nečeká na přidělení CPU déle než (n-1)q časových jednotek • Výkonnostní hodnocení – q velké → ekvivalent FCFS – q malé → velká režie; v praxi musí být q musí být dostatečně velké s ohledem na režii přepínání kontextu – Zlaté pravidlo volby q – 80 % dávek CPU by mělo být < q PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 15 z 42 RR s časovým kvantem = 20 • Proces Délka dávky CPU – P1 53 – P2 17 – P3 68 – P4 24 • Ganttovo schématické vyjádření plánu • Typicky se dosahuje delší průměrné doby obrátky než při plánování SJF, avšak doba odpovědi je výrazně nižší P1 P2 P3 P4 P1 P3 P4 P1 P3 P3 0 20 37 57 77 97 117 121 134 154 162 PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 17 z 42 Časové kvantum a doba přepnutí kontextu • Příklad – Doba přepnutí kontextu = 0,01 – Ztráty související s režií OS při q = 12, 6 a 1 jsou 0,08 %; 0,16 % a 1 % PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 18 z 42 Algoritmus SJF (1) • Algoritmus Shortest-Job-First (Shotest- Process-Next) • Musíme znát délku příštího požadavku na dávku CPU pro každý proces • Vybírá se proces s nejkratším požadavkem na CPU • SJF je optimální algoritmus (pro danou množinu procesů dává minimální průměrnou dobu čekání) PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 19 z 42 Algoritmus SJF (1) • Dvě varianty – Nepreemptivní, bez předbíhání • Jakmile se CPU předá vybranému procesu, tento nemůže být předběhnut žádným jiným procesem, dokud přidělenou dávku CPU nedokončí – Preemptivní, s předbíháním • Jakmile se ve frontě připravených procesů objeví proces s délkou dávky CPU kratší než je doba zbývající k dokončení dávky právě běžícího procesu, je právě běžící proces ve využívání CPU předběhnut novým procesem • Tato varianta se rovněž nazývá Shortest-Remaining-TimeFirst (SRTF) PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 20 z 42 Nepreemptivní algoritmus SJF • Proces Doba příchodu Délka dávky CPU – P1 0.0 7 – P2 2.0 4 – P3 4.0 1 – P4 5.0 4 • Ganttovo schématické vyjádření plánu • Průměrná doba čekání – (0+6+3+7)/4 = 4 P1 P3 P2 73 160 P4 8 12 PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 21 z 42 Preemptivní algoritmum SJF • Proces Doba příchodu Délka dávky CPU – P1 0.0 7 – P2 2.0 4 – P3 4.0 1 – P4 5.0 4 • Ganttovo schématické vyjádření plánu • Průměrná délka čekání – (9+1+0+2)/4 = 3 P1 P3P2 42 110 P4 5 7 P2 P1 16 PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 23 z 42 Prioritní plánování (1) • S každým procesem je spojeno prioritní číslo – Prioritní číslo – preference procesu pro výběr příště běžícího procesu – CPU se přiděluje procesu s největší prioritou – Nejvyšší prioritě obvykle odpovídá nejnižší prioritní číslo ;-) • Opět dvě varianty – Nepreemptivní, bez předbíhání • Jakmile proces získá přístup k CPU nemůže být předběhnut jiným procesem dokud dávku neukončí – Preemptivní, s předbíháním • Jakmile se ve frontě připravených procesů objeví proces s vyšší prioritou než je priorita běžícího procesu, je běžící proces předběhnut PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 24 z 42 Prioritní plánování (2) • SJF je prioritní plánování, prioritou je předpokládaná délka příští CPU dávky • Stárnutí – Procesy s nižší prioritou se nemusí nikdy provést – Řešení • Zrání – priorita se s postupem času zvyšuje PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 25 z 42 Příklad – Win32 (1) • Procesy při vytvoření přiděleny do jedné z následujících tříd – Idle – Below Normal – Normal – Above Normal – High – Realtime PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 26 z 42 Příklad – Win32 (2) • Plánovací algoritmus je řízen především prioritami – 32 front (FIFO seznamů) vláken, která jsou „připravena“ • Pro každou úroveň priority jedna fronta • Fronty jsou společné pro všechny procesory – Když je vlákno „připraveno“ • Buď běží okamžitě • Nebo je umístěno na konec fronty „připravených“ procesů ve své prioritě – Na jednoprocesorovém stroji vždy běží vlákno s nejvyšší prioritou • V rámci jedné prioritní skupiny se plánuje algoritmem round-robin pomocí časových kvant PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 27 z 42 Paměť – principy, základy • Pro běh procesu je nutné, aby program, který je vykonáván byl umístěn v operační paměti (hlavní paměti) – Včetně dat • Z programu se stává proces (aktivní entita schopná spuštění na CPU) provedením celé řady kroků – Naplnění tabulek, umístění do operační paměti – Vázání adres instrukcí a dat na adresy operační paměti PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 28 z 42 Memory-Management Unit • Hardwarový modul převádějící logické adresy na fyzické adresy • Uživatelský program pracuje s logickými adresami, uživatelský program nevidí fyzické adresy • Připočítává se obsah „relokačního registru“ k adresám generovaným uživatelským procesem v okamžiku, kdy je předávána jako ukazatel do operační paměti PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 29 z 42 Relokační registr PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 30 z 42 Adresový prostor • Logický adresový prostor (LAP), fyzický adresový prostor (FAP) – LAP – (logická adresa, virtuální adresa) dána adresou ve strojovém jazyku, generuje CPU – FAP – (fyzická) adresa akceptovaná operační pamětí • Logické a fyzické adresové prostory se shodují v době kompilace a v době zavádění • Logické a fyzické adresové prostory mohou být rozdílné při vázání v době běhu PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 31 z 42 Souvislé oblasti • Operační paměť se dělí do dvou sekcí – Rezidentní OS, obvykle na počátku FAP s tabulkou ovladačů přerušení – Uživatelské procesy • Přidělování jedné souvislé části paměti – Pro ochranu procesů uživatelů mezi sebou a OS lze použít schéma s relokačním registrem – Relokační registr – hodnota nejmenší fyzické adresy paměti procesu – Mezní registr – rozpětí logických adres, logická adresa musí být menší nebo rovna meznímu registru PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 32 z 42 HW podpora PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 33 z 42 Souvislé oblasti • Přidělování několika částí paměti – Díra – blok dostupné paměti • Bloky jsou roztroušeny po FAP – Evidenci o přidělených a volných sekcí udržuje OS OS process 5 process 8 process 2 OS process 5 process 2 OS process 5 process 2 OS process 5 process 9 process 2 process 9 process 10 PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 34 z 42 Přidělování paměti • Kterou oblast délky n přidělit, když volná paměť je rozmístěna ve více souvislých nesousedních sekcích? – First-fit • Přiděluje se první dostatečně dlouhá volná oblast resp. její počátek – Best-fit • Přiděluje se nejmenší dostatečně dlouhá volná oblast resp. její počátek • Generují se velmi malé (nejmenší) možné volné díry – Worst-fit • Přiděluje se největší dostatečně dlouhá volná oblast resp. její počátek • Generují se největší možné volné díry • Z hlediska rychlosti a kvality využití paměti jsou First-fit a Best-fit lepší techniky než technika Worst-fit PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 35 z 42 Problém fragmentace • Vnější fragmentace – Souhrn volné paměti je dostatečný, ale ne v dostatečné souvislé oblasti • Vnitřní fragmentace – Přidělená oblast paměti je větší než požadovaná velikost, tj. část přidělené paměti je nevyužitá • Snižování vnější fragmentace setřásáním – Přesouvají se obsahy paměti s cílem vytvořit (jeden) velký volný blok – Použitelné jen když je možná dynamická relokace (viz MMU) – Provádí se v době běhu – Problém I/O • S vyrovnávacími paměťmi plněnými z periférií autonomně nelze hýbat – Umisťují se proto do prostoru OS PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 36 z 42 Stránkování • LAP procesu nemusí být jedinou souvislou sekcí FAP, LAP se zobrazuje do (po částech volných) sekcí FAP • FAP se dělí na sekce zvané rámce (frames) – Pevná délka, délka v násobcích mocnin 2 (obvykle mezi 512 až 8192 bajty) • LAP se dělí na sekce zvané stránky (pages) – Pevná délka, shodná s délkou rámců • Udržujeme seznam volných rámců • Program délky n stránek se umístí (zavede) do n rámců • Překlad logická adresa → fyzická adresa − pomocí překladové tabulky nastavované OS a interpretované MMU • Vniká vnitřní fragmentace, neboť paměť je procesu přidělována v násobcích velikosti rámce PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 37 z 42 Segmentování 1 3 2 4 1 4 2 3 user space physical memory space PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 38 z 42 Segmentování • Logická adresa je dvojice (segment s, offset d) • Tabulka segmentů, Segment table, ST – Base – počáteční adresa umístění segmentu ve FAP – Limit – délka segmentu • Segment-table base register (STBR) – Odkaz na umístění ST v paměti • Segment-table length register (STLR) – Počet segmentů, s je legální když s < STLR • Relokace – dynamická, pomocí ST PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 39 z 42 Příklad segmentace PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 41 z 42 Stránkování, LAP na FAP PB169 Počítačové sítě a operační systémy Snímek 42 z 42 Stránkování a segmentování (Intel 386)