Definición y Conceptos Básicos
El término planificación de procesos hace referencia a un conjunto de políticas y mecanismos del SO que gobiernan el orden en que se ejecutan los procesos (Milenkovic)
Un planificador de procesos es un módulo del SO que se encarga de mover los procesos entre las distintas colas de planificación
La ejecución de un proceso consiste en una alternancia entre ráfagas de CPU y ráfagas de E/S
Un proceso limitado por E/S (I/O bound) es aquél que pasa más tiempo haciendo E/S que usando la CPU (tiene ráfagas de CPU cortas)
Un proceso limitado por CPU (CPU bound) es aquél que pasa más tiempo computando que haciendo E/S (tiene ráfagas de CPU largas)
Alternancia de Ráfagas de CPU y E/S
Tipos de Planificadores
Planificador a largo plazo (planificador de trabajos) – escoge los procesos que ingresarán en la cola de listos
Planificador a medio plazo – escoge los procesos que se sacarán/introducirán temporalmente de/en la memoria principal (intercambio, swapping)
Planificador a corto plazo (planificador de CPU) – escoge el proceso que se ejecutará a continuación y le asigna la CPU
Planificador de CPU
Escoge un proceso de entre los que están en memoria listos para ejecutarse y le asigna la CPU al proceso elegido
La decisión de planificación puede ocurrir:
1. Cuando un proceso pasa de ejecución a espera
2. Cuando un proceso pasa de ejecución a listo
3. Cuando un proceso pasa de espera a listo
4. Cuando un proceso termina
Un planificador es no expropiativo (nonpreemptive) cuando sólo planifica en los casos 1 y 4
En otro caso decimos que el planificador es expropiativo (preemptive)
Despachador
El despachador es un módulo que cede la CPU al proceso elegido por el planificador de CPU. Para ello el despachador tiene que:
Realizar una conmutación de contexto
Cambiar la máquina a modo usuario (no privilegiado)
Saltar al punto apropiado del programa para continuar con su ejecución
El tiempo que tarda el despachador en detener un proceso y poner otro en ejecución se denomina latencia del despachador. Debe ser lo más pequeña posible
Criterios de Planificación
Utilización de la CPU – mantener la CPU tan ocupada como sea posible (maximizar)
Rendimiento – número de procesos que se completan por unidad de tiempo (maximizar)
Tiempo de retorno – tiempo transcurrido desde que se presenta el proceso hasta que se completa (minimizar)
Tiempo de espera – tiempo que un proceso pasa en la cola de procesos listos esperando la CPU (minimizar)
Tiempo de respuesta – tiempo que tarda un proceso desde que se le presenta una solicitud hasta que produce la primera respuesta (minimizar)
Algoritmo First-Come, First-Served (FCFS)
Procesos Ráfaga de CPU (ms)
P1 24
P2 3
P3 3
Los procesos llegan en el orden: P1 , P2 , P3 . La planificación es:
Tiempo de espera para P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27
Tiempo de espera medio: (0 + 24 + 27)/3 = 17
(Gp:) P1
(Gp:) P2
(Gp:) P3
(Gp:) 24
(Gp:) 27
(Gp:) 30
(Gp:) 0
Algoritmo FCFS
Ahora cambiamos el orden de llegada de los procesos
P2 , P3 , P1
La nueva planificación es:
Tiempo de espera para P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3
Tiempo medio de espera: (6 + 0 + 3)/3 = 3
Mejoramos la planificación anterior
Con este algoritmo se puede producir un efecto convoy: varios procesos de ráfaga de CPU corta tienen que esperar a un proceso de ráfaga larga
(Gp:) P1
(Gp:) P3
(Gp:) P2
(Gp:) 6
(Gp:) 3
(Gp:) 30
(Gp:) 0
Algoritmo Shortest Job First (SJF)
También se conoce como Shortest Remaining Time Next (SRTN)
Asigna la CPU al proceso cuya siguiente ráfaga de CPU es más corta. Si dos procesos empatan se resuelve el empate por FCFS
Dos posibilidades:
no expropiativo – cuando se asigna la CPU a un proceso no se puede expropiar hasta que completa su ráfaga de CPU
expropiativo – si llega un proceso a la cola de listos con una ráfaga de CPU más corta que el tiempo que le queda al proceso en ejecución, se expropia. El SJF expropiativo se conoce también como Shortest Remaining Time First (SRTF)
SJF es óptimo – da el mínimo tiempo de espera medio para un conjunto de procesos dado
Pero requiere conocer de antemano la duración de la siguiente ráfaga de CPU
Procesos Llegada Ráfaga CPU (ms)
P1 0 7
P2 2 4
P3 4 1
P4 5 4
SJF (no expropiativo)
Tiempo de espera medio = (0 + 6 + 3 + 7)/4 = 4
Ejemplo de SJF No Expropiativo
(Gp:) P1
(Gp:) P3
(Gp:) P2
(Gp:) 7
(Gp:) 3
(Gp:) 16
(Gp:) 0
(Gp:) P4
(Gp:) 8
(Gp:) 12
Ejemplo de SJF Expropiativo
Procesos Llegada Ráfaga CPU (ms)
P1 0 7
P2 2 4
P3 4 1
P4 5 4
SJF (expropiativo)
Tiempo de espera medio = (9 + 1 + 0 +2)/4 = 3
(Gp:) P1
(Gp:) P3
(Gp:) P2
(Gp:) 4
(Gp:) 2
(Gp:) 11
(Gp:) 0
(Gp:) P4
(Gp:) 5
(Gp:) 7
(Gp:) P2
(Gp:) P1
(Gp:) 16
Duración de la Siguiente Ráfaga de CPU
Lo habitual es que no se conozca, así que sólo se puede estimar
Se hace usando la duración de las ráfagas de CPU anteriores, usando un promedio exponencial
Promedio Exponencial
? =0
?n+1 = ?n
La historia reciente no se tiene en cuenta
? =1
?n+1 = tn
Sólo se tiene en cuenta la última ráfaga de CPU
Si expandimos la fórmula tenemos:
?n+1 = ? tn+(1 – ?)? tn-1 + …
+(1 – ? )j ? tn-j + …
+(1 – ? )n +1 ?0
Tanto ? como (1 – ?) son menores que 1, así que cada duración de ráfaga (ti) tiene más peso que la anterior (ti-1)
Algoritmo de Planificación con Prioridad
Se asocia con cada proceso una prioridad (número entero)
La CPU se asigna al proceso con la prioridad más alta (consideramos número pequeño ? prioridad alta)
Tenemos dos posibilidades:
Expropiativo
No expropiativo
SJF se puede ver como un algoritmo de planificación por prioridad en el que la prioridad es la duración predicha para la siguiente ráfaga de CPU
Problema: Inanición (starvation) – los procesos de más baja prioridad podrían no ejecutarse nunca
Solución: Envejecimiento (aging) – conforme el tiempo pasa aumentar la prioridad de los procesos que esperan mucho en el sistema
Ejemplo de Planificación con Prioridades
Procesos Ráfaga CPU Prioridad
P1 10 3
P2 1 1
P3 2 3
P4 1 4
P5 5 2
Algoritmo Round Robin (RR)
Cada proceso obtiene la CPU durante un breve espacio de tiempo (cuanto o quantum de tiempo), normalmente de 10 a 100 milisegundos. Cuando el tiempo pasa, el proceso es expropiado e insertado al final de la cola de listos.
Si hay n procesos en la cola de listos y el quantum es q, cada proceso recibe 1/n del tiempo de CPU en intervalos de q unidades de tiempo como mucho. Ningún proceso espera más de (n-1)q unidades de tiempo.
Desempeño
q grande ? FCFS
q pequeño ? q debe ser grande con respecto a la conmutación de contexto, en otro caso la sobrecarga es muy alta
Ejemplo de RR con Quantum = 20
Procesos Ráfaga CPU
P1 53
P2 17
P3 68
P4 24
Planificación:
Normalmente el tiempo de retorno medio es mayor que en SJF, pero el tiempo de respuesta es mejor
(Gp:) P1
(Gp:) P2
(Gp:) P3
(Gp:) P4
(Gp:) P1
(Gp:) P3
(Gp:) P4
(Gp:) P1
(Gp:) P3
(Gp:) P3
(Gp:) 0
(Gp:) 20
(Gp:) 37
(Gp:) 57
(Gp:) 77
(Gp:) 97
(Gp:) 117
(Gp:) 121
(Gp:) 134
(Gp:) 154
(Gp:) 162
Quantum y Cambios de Contexto
El Tiempo de Retorno Frente al Quantum
Algoritmo de Colas Multinivel
La cola de listos se divide en colas separadas. Ej.:
procesos de primer plano (interactivos)
procesos de segundo plano (por lotes)
Cada cola puede tener un algoritmo de planificación diferente
primer plano – RR
segundo plano – FCFS
Se debe planificar a nivel de cola
Planificación por prioridad fija; ej.: la cola de primer plano tiene prioridad sobre la de segundo plano. Posible inanición.
División de tiempo – cada cola obtiene cierta porción de tiempo de CPU que reparte entre sus procesos; ej., 80% para la cola de primer plano (RR) y 20% para la de segundo (FCFS)
Colas Multinivel
Colas Multinivel con Realimentación
En este caso un proceso se puede mover entre las colas. Es una forma de implementar el envejecimiento para evitar inanición.
Un algoritmo de planificación de colas multinivel con realimentación está definido por los siguientes parámetros:
número de colas
algoritmos de planificación para cada cola
método usado para determinar cuándo promover un proceso a una cola de mayor prioridad
método usado para determinar cuándo degradar un proceso a una cola de menor prioridad
método usado para determinar en qué cola ingresará un proceso cuando necesite servicio
Ejemplo de Colas Multinivel con Realimentación
Tenemos tres colas:
Q0 – RR con quantum 8 ms
Q1 – RR con quantum 16 ms
Q2 – FCFS
Planificación
Un proceso que entra en la cola de procesos listos ingresa en la cola Q0 . Cuando obtiene la CPU se le asignan 8 ms. Si no termina su ráfaga de CPU en ese tiempo se pasa a Q1.
En Q1 se asignan 16 ms de CPU al proceso. Si no termina en ese tiempo es expropiado y colocado en la cola Q2.
Ejemplo de Colas Multinivel con Realimentación
Prioridades en Windows XP
Clases de Prioridad (procesos)
Modificadores (hilos)
El algoritmo es de Colas Multinivel con Realimentación. Cada prioridad tiene asociada una cola con planificación RR.
Prioridades 0-15 variables, 16-31 fijas (tiempo real).
A los hilos que agotan su quantum se les reduce la prioridad. Cuando un hilo pasa de espera a listo se aumenta su prioridad.
Planificación en Linux
Se usan dos algoritmos: tiempo compartido y tiempo real
Tiempo compartido
Prioridad basada en créditos – el proceso con más créditos es el siguiente en tomar la CPU
Los créditos se reducen cuando ocurre una interrupción de reloj
Cuando el crédito es 0, se escoge otro proceso
Cuando todos los procesos tienen crédito 0 se asigna de nuevo crédito para todos los procesos
Basado en factores como prioridad e historia
Tiempo real
Tiempo real blando
Cumple el estándar Posix.1b – dos clases
FCFS y RR
El proceso de mayor prioridad siempre se ejecuta primero
Evaluación de los Algoritmos
Modelado determinista – toma una carga de trabajo predeterminada y define el rendimiento de cada algoritmo para esa carga
Modelos de colas
Implementación