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Sistemas operativos. Scheduler




Enviado por Pablo Turmero



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    Temario ://
    Procesos
    Introducción a los Scheduler
    Calendarización en Sistemas por Lotes (batch)
    Calendarización en Sistemas Interactivos
    Calendarización en Sistemas de Tiempo Real
    Calendarización de subprocesos

    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Sistemas Operativos: Scheduler
    Programa v/s Proceso ://
    Programa
    Conjunto de instrucciones, código. Elemento pasivo.

    Proceso
    Programa en ejecución. (Ente dinámico)
    Un programa puede levantar varios procesos.
    Tiene asociado un espacio de direcciones.

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    Sistemas Operativos: Conceptos
    Espacio de Direcciones ://
    El espacio de direcciones es el espacio en memoria asignado al proceso. Aquí se encuentra el código del proceso y los datos que este utiliza.

    Desde el punto de vista del proceso, el Address Space es la única memoria existente en el sistema, no pudiendo acceder a direcciones foráneas.

    En el caso de sistemas sin paginación, el espacio de direcciones no puede ser particionado en páginas, y ser cargado por partes o llevado parcialmente a swap; resultando en que el bloque de memoria esta realmente presente ya sea en RAM o disco.
    (Gp:) Address Space

    (Gp:) Código
    (Gp:) Datos
    (Gp:) Stack
    (Gp:) Registros

    Cuando se tiene paginación, entonces el espacio de direcciones es dividido en páginas, y resultando en que no todo este en RAM, sino solo una porción. A este concepto de un espacio que realmente no esta por completo ni en memoria, ni en disco; se le denomina Espacio de Direcciones Virtual.

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    Sistemas Operativos: Conceptos
    Process Control Block (PCB) ://

    El Process Control Block, es una ficha que lleva el sistema operativo con toda la información administrativa de un proceso.
    (Gp:) Listado de archivos abiertos
    (Gp:) Límites de memoria
    (Gp:) Registros
    (Gp:) Program Counter
    (Gp:) Parent Process ID
    (Gp:) Process ID
    (Gp:) Estado del Proceso

    Permite conocer con exactitud el estado del proceso, en que parte de su código se está ejecutando, cual es su número identificador, cuanta memoria tiene asociada, cuales archivos están abiertos, etc.

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    Sistemas Operativos: Conceptos
    Tabla de Procesos ://
    La tabla de procesos, es una estructura en memoria que contiene la ubicación de los PCB de todos los procesos del sistema. A través de esta, el kernel puede conocer el estado de cada proceso, saber en parte de la memoria se encuentra, etc.
    (Gp:) Process Table

    (Gp:) 0
    (Gp:) 1
    (Gp:) 2
    (Gp:) 3
    (Gp:) 4
    (Gp:) 5

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    Sistemas Operativos: Scheduler
    Creación de un proceso ://
    Crear un proceso es la acción de poner en memoria un programa, entregarle un contexto donde poder ejecutar sus instrucciones (Espacio Virtual), registrar la información de donde está y que características posee (PCB), e iniciar su funcionamiento (Calendarizar su ejecución).

    Opciones de ejecución:
    Concurrente
    Padre espera conclusión de hijo

    Opciones del Address Space
    Hijo es un duplicado del padre
    Hijo tiene un programa separado para cargarse

    Pasos para la creación de un proceso
    Cargar el código a la memoria
    Crear el stack vacío
    Crear o asignar PCB
    Inscribir el proceso en el scheduler

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    Destrucción de un proceso ://
    Finalización Normal (Voluntario)
    El programa concluye su ejecución como se espera, sin errores que reportar.

    Finalización con Error Voluntario (Voluntario)
    El programa entregando un error, siguiendo los procedimientos establecidos por el programador.

    Error Fatal (Involuntario)
    El sistema detecta un error fatal en el programa y termina su ejecución.
    (División por cero, acceso indebido a memoria, etc)

    Terminación Forzada (Involuntario)
    Otro proceso con mayor autoridad cierra el proceso actual. Función administrativa.

    Sistemas Operativos: Scheduler
    if(variable > 0) exit(0);
    if(variable > 0) exit(1);
    a = 1234 / 0;
    kernel->currentThread->yield(true);
    Espacio de usuario
    Espacio de usuario
    Espacio de usuario
    Espacio de KERNEL

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    Estados de un proceso ://

    Nuevo / New: proceso recién creado
    Corriendo / Running: proceso en ejecución
    Bloqueado / Waiting: proceso en espera de un evento (I/O)
    Listo / Ready : proceso listo para entrar a la CPU
    Terminado / Terminated: proceso que ha terminado su ejecución
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Estados de un proceso ://

    Listo y suspendido: Proceso swapeado listo para entrar a la CPU
    Bloqueado y suspendido: Proceso swapeado Bloqueado (Esperando I/O)
    Procesos Suspendidos (Swap)

    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Proceso B
    Ejecutándose
    Proceso A
    Ejecutándose
    Proceso A
    Ejecutándose
    Tiempo Perdido
    en labores admin.
    Tiempo Perdido
    en labores admin.
    Cambio de contexto ://
    El Cambio de contexto, es el proceso por el cual el Sistema Operativo pasa de ejecutar el código de un proceso, a ejecutar el código de otro proceso o a ejecutar código en espacio de kernel.
    Sistemas Operativos: Scheduler
    Los registros de la CPU llevan el estado de esta; son aquellos que indican que instrucción se esta ejecutando, cuales los valores de las variables en un momento dado, etc.

    El Cambio de contexto consiste en cambiar los valores de los registros de la CPU de los valores de un proceso a los valores de otro proceso. De manera de no perder el estado actual del proceso “saliente”, el sistema almacena en el PCB los valores de los registros actuales, para luego sobreescribirlos con los almacenados en el PCB del proceso “entrante”.

    Grabar estado a PCBA
    Restaurar estado de PCBB
    Grabar estado a PCBB
    Restaurar estado de PCBA
    ProcesoA
    ProcesoB

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    Cambio de contexto ://
    El cambio de contexto es una labor administrativa del sistema operativo que consume tiempo de CPU. Durante este tiempo, ningún proceso esta en ejecución por lo que se considera overhead en la administración de procesos.

    Se denomina quantum de tiempo o quanto a un periodo de tiempo que el sistema operativo le entrega a un proceso para que este utilice la CPU. El término del quantum es indicado por una interrupción de reloj que es previamente programada, momento en el cual se produce un cambio de contexto.

    Los cambios de contexto se pueden producir por:

    Termino de quantum de tiempo (interrupción de reloj)

    Syscall yield, que solicita al SO que este proceso sea colocado en la ready list.

    Interrupción que provoque colocar al proceso bloqueado (I/O, semáforos, etc)

    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Cambio de contexto ://
    Proc2
    (Gp:) Proc1

    Scheduler
    Cambio de
    Contexto
    Cambio de
    Contexto
    Respaldo
    Restauración
    Sistemas Operativos: Scheduler
    quanto

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    Scheduler (Calendarizador)
    Componente del sistema operativo que decide cual de los procesos que esta en estado ready es el que entrara a la CPU. Su decisión es basada según el sistema que este administrando y es resuelta por los Algoritmos de Calendarización.

    Scheduler
    P1
    P2
    P3
    P5
    CPU
    P6
    P4
    Scheduler – Introducción ://
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Scheduler – Introducción ://
    Comportamiento de los procesos

    Dedicados al cómputo

    Dedicados al I/O

    Con el tiempo, a haber avanzado más rápido la velocidad de las CPU que la de los dispositivos de I/O, la calendarización de procesos dedicados al I/O ha cobrado mayor importancia.
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Scheduler – Introducción ://
    Cuándo Calendarizar

    Creación de proceso: ejecutar el padre o el hijo?

    Término de proceso: que proceso ejecutar ahora?

    Proceso bloquea por semáforo: que hacer?
    En este caso el motivo afecta la decisión. Si un proceso bloquea por semáforo, entonces conviene ejecutar el proceso que sostiene el lock en este momento.

    Proceso bloquea por I/O listo: entrar el proceso que paso de bloqueado a listo? Entrar al proceso interrumpido? Un tercer proceso?
    Proceso IDLE: proceso de inactividad proporcionado por el sistema operativo cuando no existen procesos de usuario de ejecutar, o están todos a la espera de algún evento.
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Scheduler – Introducción ://
    Tipos de calendarización

    No Expropiativo: una vez que inicia un proceso, lo deja correr hasta que termina, realiza I/O o queda a la espera de otro proceso.

    Expropiativo: existe quantum de tiempo determinado que se le permite a un proceso estar en la CPU. Cuando este expira, el proceso debe salir y se debe ingresar uno nuevo. Este método requiere de una interrupción de reloj al final del quantum para poder ser implementado.
    Sistemas por lotes
    Sin usuarios en terminales
    Algoritmos no expropiativos
    Reducido número de cambios de contexto
    Sistemas Interactivos
    Algoritmos expropiativos
    No se puede permitir la monopolización des la CPU por parte un proceso
    Se asume hostilidad entre procesos.
    Sistemas Tiempo Real
    Pueden usar expropiativos y no expropiativos.
    Generalmente todos los programas trabajan colaborativamente
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Scheduler – Introducción ://
    Objetivos de la calendarización

    Todos los sistemas
    Equidad – dar a cada proceso una porción equitativa de tiempo de CPU
    Cumplimiento de políticas – cuidar que se ponga en práctica la política establecida
    Equilibrio – mantener ocupadas todas las partes del sistema

    Sistemas por Lotes
    Rendimiento – procesar el máximo de trabajos por hora
    Tiempo de retorno – reducir al mínimo el lapso entre inicio y término de un trabajo
    Utilización de CPU – mantener ocupada todo el tiempo la CPU

    Sistemas Interactivos
    Tiempo de respuesta – responder rápido a las solicitudes
    Proporcionalidad – satisfacer las expectativas de todos los usuarios

    Sistemas en Tiempo Real
    Cumplir los plazos – evitar la pérdida de datos
    Predicibilidad – evitar la degradación de la calidad en sistemas multimedia
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Scheduler – Introducción ://
    Definiciones

    Rendimiento: número de trabajos que el sistema termina por hora (ceteris paribus)
    Tiempo de retorno: promedio estadístico del tiempo que transcurre entre que se presenta un trabajo por lotes y el momento q termina.
    Starvation: situación en la cual un proceso se le niega el acceso a un recurso de forma sistemática, sin que este pueda acceder a él nunca.

    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Scheduler – Introducción ://
    Calendarización en 3 niveles

    CPU
    RAM

    Disco
    Nuevo
    Trabajo
    Scheduler De Admision – Largo Plazo
    Determina una combinación de procesos óptima (CPU – I/O, duracion, etc)
    Scheduler De Memoria – Mediano Plazo
    Determina que procesos son mantenidos en RAM y cuales swapeados a disco. Determina el grado de múltiprogramacion (cant de procesos). Toma su decisión basado por ejemplo en:
    – Cuanto hace que el proceso se swapeo a disco?
    – Cuanto tiempo de CPU ha tenido últimamente?
    – Que tan grande es el proceso?
    – Que tan importante?
    Scheduler De CPU – Corto Plazo
    Determina que proceso en entra a la CPU. Puede utilizar cualquier método expropiativo o no. Pieza que se le conoce como scheduler.
    Proceso
    Corriendo
    Proceso
    swapeado
    Proceso
    Listo para correr
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Sistemas Operativos: Scheduler
    Modelamiento de la multiprogramación

    El punto clave es la cantidad de tiempo de CPU que utiliza un proceso versus la cantidad tiempo I/O. Esta cantidad puede ser expresada en forma de porcentaje de tiempo de I/O, pudiéndose calcular el aprovechamiento de la CPU por:
    Aprovechamiento CPU = 1 – pn
    Siendo: p tiempo de espera I/O
    n cant de procesos en el sist
    Ej:

    4 procesos en el sistema que cada uno realiza 80% del tiempo I/O.

    Aprovechamiento = 1 – 0.84 = 0.5904

    4 procesos en el sistema que cada uno realiza 50% del tiempo I/O.

    Aprovechamiento = 1 – 0.54 = 0.9375

    Scheduler – Introducción ://

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    Sistemas Operativos: Scheduler
    Modelamiento de la multiprogramación

    20% I/O
    50% I/O
    80% I/O
    Scheduler – Introducción ://

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    Calendarización en sistemas por lotes ://
    Scheduling en sistemas por lotes

    — Mayor uso de CPU
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas por lotes ://
    Primero en llegar, primero en ser atendido (FIFO)

    Algoritmo mas simple de todos donde los procesos son ingresados a la CPU en el orden que se recibieron.

    De simple programación y comprensión, tiene la desventaja de ser muy poco eficiente con trabajos de distinta duración. Si un proceso
    CPU
    CPU
    Proceso de larga duración detendrá a los demás hasta que termine
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas por lotes ://
    Trabajo más corto primero – (SJF: Shortest Job First)

    Algoritmo no expropiativo que al conocer a priori los tiempos de ejecución de los procesos, los ordena de acuerdo a su duración

    Este método acorta los tiempos promedio de ejecución considerablemente, pero solo si se tienen disponibles todos los procesos simultáneamente. De lo contrario no tiene efecto y su comportamiento se asemeja a FIFO.
    CPU
    12
    2
    8
    4
    1
    12
    CPU
    12
    12
    8
    4
    2
    1
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas por lotes ://
    SJF v/s FIFO
    Tiempos de proceso promedio sin expropiación:

    CPU
    12
    2
    8
    4
    1
    12
    CPU
    12
    12
    8
    4
    2
    1
    FIFO
    SJF
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas por lotes ://
    Tiempo Restante mas corto a continuación

    Variación expropiativa de SJF donde al llegar un proceso, su tiempo de ejecución se compara con el restante del proceso actual. Si el tiempo del nuevo proceso es menor, se suspende el actual para ingresar el recién llegado.

    CPU
    12
    12
    8
    4
    CPU
    12
    12
    8
    4
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas Interactivos ://
    Scheduling en sistemas Interactivos

    — Percepción del usuario
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas Interactivos ://
    Turno Circular – Round Robin

    Cada proceso recibe un quantum de tiempo en la CPU, debiendo abandonarla al término del mismo.

    De simple implementación, solo se requiere tener una lista de procesos sobre la cual ciclar.
    quantum
    Tiempo labores administrativas
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas Interactivos ://
    Turno Circular – Round Robin

    Problema: Elegir el tamaño del quantum.

    Si es muy pequeño, entonces se desperdiciará mucho tiempo en labores administrativas.

    Si es muy grande, el usuario percibirá al sistema como lento

    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas Interactivos ://
    Por Prioridades

    Cada proceso tiene asignado un valor prioridad. Al momento de decidir que proceso entra a la CPU, se selecciona aquel con mayor prioridad que este listo para correr.

    La asignación de prioridad puede ser de forma estatica (al inicio del proceso) o de forma dinámica (durante la ejecución). En linux existe el comando renice que permite a un administrador modificar la prioridad de un proceso en el sistema.

    Problema: Los procesos de alta prioridad pueden acaparar la CPU provocando starvation a los procesos de baja prioridad.

    CPU
    P7
    P1
    P4
    P10
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas Interactivos ://
    Por Prioridades

    El scheduler puede decidir variar la prioridad de un proceso de acuerdo a su comportamiento:

    Un proceso de I/O que tiene poco proceso y mucho acceso a disco, se le puede dar más prioridad, pues estará la mayor parte del tiempo bloqueado.

    Variación: Clases de prioridades. Cada clase se ejecuta hasta que no existen más procesos haciendo round robin al interior de esta. Luego se pasa a la clase con la siguiente prioridad.
    P1

    P2

    P3
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas Interactivos ://
    Calendarización Garantizada

    Enfocado a sistemas multiusuario, entrega porciones equitativas de CPU a cada uno. Si existen N usuarios, entonces cada uno recibirá 1/N de la capacidad de CPU.

    Para su implementación se cuenta el tiempo de CPU q ha recibido cada uno y luego se calcula el tiempo que le corresponde:

    TiempoEjecucion = relación
    TiempoReal

    Si la relación es bajo 1/N entonces el proceso se ha ejecutado menos de lo que debe; si es mayor, entonces se ha ejecutado más de lo que debe tomando el scheduler otros procesos hasta que la relación se equipare.

    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas Interactivos ://
    Calendarización por lotería

    Se determina la entrada a la CPU de un proceso de acuerdo a la cantidad de “billetes” de loteria que este posee, indicando así la prioridad del proceso.
    Al momento de seleccionar el proceso siguiente a entrar a la CPU, se sortea un numero entre los billetes entregados; de esta forma un proceso que tiene 100 número de un total de 500, tendrá aproximadamente un 20% de posibilidades de ser escogido.

    A
    B
    Sistemas Operativos: Scheduler

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    Calendarización en sistemas Interactivos ://
    Calendarización por porcion equitativa

    Metodología que toma en cuenta a quien pertenecen los procesos en ejecución.

    Si 2 usuarios tienen la misma prioridad ante el sistema, entonces sin importar la cantidad de procesos que tenga cada uno, se deberá entregar el 50% de la CPU a cada usuario.

    Ejemplo: Usuario 1: Procesos A B C D
    Usuario 2: Proceso Z

    Ejecucion: A Z B Z C Z D Z A Z ….

    Por otra parte, si existe diferencia de prioridad entre estos, también se puede modelar. Supóngase que el usuario 1 ahora tiene 3 veces mas prioridad que el usuario 2:

    Ejecucion: A B C Z D A B Z …

    Sistemas Operativos: Scheduler

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