Chương 3 Định thời CPU

C3: ĐỊNH THỜI CPU (Điều phối Tiến trình) Võ Quang Hoàng Khang Email: khangvqh@yahoo.com Mục tiêu Hiểu được • Khái niệm cơ bản về định thời • Các cấp độ định thời • Mục tiêu của định thời • Các giải thuật định thời Khái niệm cơ bản về định thời Trong môi trường hệ điều hành đa nhiệm, bộ phận điều phối tiến trình có nhiệm vụ xem xét và quyết định khi nào thì dừng tiến trình hiện tại để thu hồi processor và chuyển processor cho tiến trình khác, và khi đã có được processor thì chọn tiến trình nào trong số các tiến trình ở trạng thái ready để cấp processor cho nó. Phân loại các hoạt động định thời Định thời dài hạn (long-term scheduling): process nào được chấp nhận vào hệ thống Định thời trung hạn (medium-term sched.): process nào được đưa vào (swap in), đưa ra khỏi (swap out) bộ nhớ chính Định thời ngắn hạn (short-term sched.): process nào được thực thi tiếp theo Định thời dài hạn Xác định chương trình nào sẽ được đưa vào hệ thống để thực thi Quyết định độ-đa-lập-trình (degree of multiprogramming) Nếu càng nhiều process được đưa vào hệ thống • Khả năng các process bị block có xu hướng giảm • Sử dụng CPU hiệu quả hơn • Mỗi process được phân chia khoảng thời gian sử dụng CPU thấp hơn Thường có xu hướng đưa vào một tập lẫn lộn các CPU-bound process và I/O-bound process Định thời trung hạn Quyết định về việc đưa process vào bộ nhớ chính, hay ra khỏi bộ nhớ chính phụ thuộc vào yêu cầu quản lý việc đa-lập-trình (multiprogramming) Cho phép bộ định thời dài hạn chấp nhận nhiều process hơn số lượng process mà có tổng kích thước được chứa vừa trong bộ nhớ chính Nhưng nếu có quá nhiều process thì sẽ làm tăng việc truy xuất đĩa, do đó cần phải lựa chọn độ- đa-lập-trình cho phù hợp Được thực hiện bởi phần mềm quản lý bộ nhớ Định thời ngắn hạn Xác định process nào được thực thi tiếp theo, còn gọi là định thời CPU Được kích hoạt khi có một sự kiện có thể dẫn đến khả năng chọn một process để thực thi • Ngắt thời gian (clock interrupt) • Ngắt ngoại vi (I/O interrupt) • Lời gọi hệ thống (operating system call) • Signal …chương này sẽ tập trung vào định thời ngắn hạn… 1 Mục tiêu của định thời • Sự công bằng ( Fairness) : Các tiến trình chia sẻ CPU một cách công bằng, không có tiến trình nào phải chờ đợi vô hạn để được cấp phát CPU • Tính hiệu qủa (Efficiency) : Hệ thống phải tận dụng được CPU 100% thời gian • Thời gian đáp ứng hợp lý (Response time) : Cực tiểu hoá thời gian hồi đáp cho các tương tác của người sử dụng • Thời gian lưu lại trong hệ thống ( Turnaround Time) : Cực tiểu hóa thời gian hoàn tất các tác vụ xử lý theo lô • Thông lượng tối đa (Throughput ) : Cực đại hóa số công việc được xử lý trong một đơn vị thời gian. Tuy nhiên thường không thể thỏa mãn tất cả các mục tiêu kể trên vì bản thân chúng có sự mâu thuẫn với nhau mà chỉ có thể dung hòa chúng ở mức độ nào đó. Các giải thuật định thời Để tổ chức điều phối tiến trình hệ điều hành sử dụng hai danh sách: Danh sách sẵn sàng (Ready list) dùng để chứa các tiến trình ở trạng thái sẵn sàng. Danh sách đợi (Waiting list) dùng để chứa các tiến trình đang đợi để được bổ sung vào danh sách sẵn sàng. Chỉ có những tiến trình trong ready list mới được chọn để cấp processor. Các tiến trình bị chuyển về trạng thái blocked sẽ được bổ sung vào waiting list. Hệ thống chỉ có duy nhất một ready list, nhưng có thể tồn tại nhiều waiting list. Thông thường hệ điều hành thiết kế nhiều waitting list, mỗi waitting list dùng để chứa các tiến trình đang đợi được cấp phát một tài nguyên hay một sự kiện riêng biệt nào đó. Trong đó: 1. Tiến trình trong hệ thống được cấp đầy đủ tài nguyên chỉ thiếu processor. 2. Tiến trình được bộ điều phối chọn ra để cấp processor để bắt đầu xử lý. 3. Tiến trình kết thúc xử lý và trả lại processor cho hệ điều hành. 4. Tiến trình hết thời gian được quyền sử dụng processor (time-out), bị bộ điều phối tiến trình thu hồi lại processor. 5. Tiến trình bị khóa (blocked) do yêu cầu tài nguyên nhưng chưa được hệ điều hành cấp phát. Khi đó tiến trình được đưa vào danh sách các tiến trình đợi tài nguyên (waiting list 1). 6. Tiến trình bị khóa (blocked) do đang đợi một sự kiện nào đó xảy ra. Khi đó tiến trình được bộ điều phối đưa vào danh sách các tiến trình đợi tài nguyên (waiting list 2). 7. Tài nguyên mà tiến trình yêu cầu đã được hệ điều hành cấp phát. Khi đó tiến trình được bộ điều phối chuyển sang danh sách các tiến trình ở trạng thái sẵn sang (ready list) để chờ được cấp processor để được hoạt động. 8. Sự kiện mà tiến trình chờ đã xảy ra. Khi đó tiến trình được bộ điều phối chuyển sang danh sách các tiến trình ở trạng thái sẵn sang (ready list) để chờ được cấp processor. 2 Chiến lược FIFO (First In First Out): Nguyên tắc : Processor được cấp phát cho tiến trình đầu tiên trong danh sách sẵn sàng có yêu cầu, là tiến trình được đưa vào hệ thống sớm nhất. FIFO được sử dụng trong điều phối độc quyền nên khi tiến trình được cấp processor nó sẽ sở hữu processor cho đến khi kết thúc xử lý hay phải đợi một thao tác vào/ra hoàn thành, khi đó tiến trình chủ động trả lại processor cho hệ thống. Ví dụ: Nếu hệ điều hành cần cấp processor cho 3 tiến trình P1, P2, P3, với thời điểm vào ready list và khoảng thời gian mỗi tiến trình cần processor được mô tả trong bảng sau: Tiến trình thời điểm vào t/g xử lý P1 0 24 P2 1 3 P3 2 3 Thì thứ tự cấp processor cho các tiến trình diễn ra như sau: Tiến trình: P1 P2 P3 Thời điểm: 0 24 27 Vậy thời gian chờ của tiến trình P1 là 0, của P2 là 23 (24 - 1), của P3 là 25 (24 + 3 - 2). Và thời gian chờ đợi trung bình của các tiến trình là: (0 + 23 + 25)/3 = 16. Ví dụ thực tế Việc phục vụ khách trong nhà hàng • Thực khách sẽ đến và gọi món ăn cho mình • Mỗi món ăn cần thời gian chuẩn bị khác nhau Mục tiêu: • Giảm thời gian đợi trung bình của các thực khách Cách làm nào sẽ phù hợp? • Thông thường các nhà hàng sẽ phục vụ theo kiểu FIFO (!) Như vậy FIFO tồn tại một số hạn chế: • Thứ nhất, có thời gian chờ đợi trung bình lớn nên không phù hợp với các hệ thống chia sẻ thời gian. • Thứ hai, khả năng tương tác kém khi nó được áp dụng trên các hệ thống uniprocessor. • Thứ ba, nếu các tiến trình ở đầu ready list cần nhiều thời gian của processor thì các tiến trình ở cuối ready list sẽ phải chờ lâu mới được cấp processor. Chiến lược phân phối xoay vòng (RR: Round Robin): Ready list được thiết kết theo dạng danh sách nối vòng. Tiến trình được bộ điều phối chọn để cấp processor cũng là tiến trình ở đầu ready list, nhưng sau một khoảng thời gian nhất định nào đó thì bộ điều phối lại thu hồi lại processor của tiến trình vừa được cấp processor và chuyển processor cho tiến trình kế tiếp (bây giờ đã trở thành tiến trình đầu tiên) trong ready list, tiến trình vừa bị thu hồi processor được đưa vào lại cuối ready list. Rõ ràng đây là chiến lược điều phối không độc quyền. Khoảng khoản thời gian mà mỗi tiến trình được sở hữu processor để hoạt động là bằng nhau, và thường được gọi là Quantum. 3 Ví dụ: Nếu hệ điều hành cần cấp processor cho 3 tiến trình P1, P2, P3 với thời điểm vào ready list và khoảng thời gian mỗi tiến trình cần processor được mô tả trong bảng sau: Tiến trình thời điểm vào t/g xử lý P1 0 24 P2 1 3 P3 2 3 Quantum = 4 Thì thứ tự cấp processor cho các tiến trình lần lượt là: Tiến trình: P1 P2 P3 P1 P1 P1 P1 P1 Thời điểm: 04 7 10 14 18 22 26 Vậy thời gian chờ đợi trung bình sẽ là: (0 + 6 + 3 + 5)/3 = 4.46 Như vậy RR có thời gian chờ đợi trung bình nhỏ hơn so với FIFO . Trong chiến lược này, vấn đề đặt ra đối với công tác thiết kế là: nên chon quantum bằng bao nhiêu là thích hợp, nếu quantum nhỏ thì hệ thống phải tốn nhiều thời gian cho việc cập nhật ready list và chuyển trạng thái tiến trình, dẫn đến vi phạm mục tiêu: khai thác tối đa thời gian xử lý của processor. Nếu quantum lớn thì thời gian chờ đợi trung bình và thời gian hồi đáp sẽ tăng lên, dẫn đến tính tương tác của hệ thống bị giảm xuống. Chiến lược theo độ ưu tiên: • Mỗi tiến trình được gán cho một độ ưu tiên tương ứng, tiến trình có độ ưu tiên cao nhất sẽ được chọn để cấp phát processor đầu tiên • Độ ưu tiên có thể được định nghĩa nội tại hay nhờ vào các yếu tố bên ngoài • Giải thuật điều phối với độ ưu tiên có thể theo nguyên tắc độc quyền hay không độc quyền. • Khi một tiến trình được đưa vào danh sách các tiến trình sẵn sàng, độ ưu tiên của nó được so sánh với độ ưu tiên của tiến trình hiện hành đang xử lý. Giải thuật điều phối với độ ưu tiên và không độc quyền sẽ thu hồi CPU từ tiến trình hiện hành để cấp phát cho tiến trình mới nếu độ ưu tiên của tiến trình này cao hơn tiến trình hiện hành. Một giải thuật độc quyền sẽ chỉ đơn giản chèn tiến trình mới vào danh sách sẵn sàng, và tiến trình hiện hành vẫn tiếp tục xử lý hết thời gian dành cho nó. Ví dụ: Nếu hệ điều hành cần cấp processor cho 3 tiến trình P1, P2, P3 với độ ưu tiên và khoảng thời gian mỗi tiến trình cần processor được mô tả trong bảng sau: Tiến trình độ ưu tiên thời gian xử lý P1 3 24 P2 1 3 P3 2 3 Thì thứ tự cấp processor (theo nguyên tắc độc quyền) cho các tiến trình lần lượt là: Tiến trình P2 P3 P1 Thời điểm 0 4 7 • Chiến lược này có thể dẫn đến hậu quả: các tiến trình có độ ưu tiên thấp sẽ rơi vào tình trạng chờ đợi vô hạn. Để khắc phục điều này hệ điều hành thường hạ độ ưu tiên của các tiến trình có độ ưu tiên cao sau mỗi lần nó được cấp processor. Chiến lươc SJF (Shortest Job First: công việc ngắn nhất): • Đây là trường hợp đặc biệt của chiến lược theo độ ưu tiên. Trong chiến lược này độ ưu tiên P của mỗi tiến trình là 1/t, với t là khoảng thời gian mà tiến trình cần processor. Bộ điều phối sẽ chọn tiến trình có P lớn để cấp processor, tức là ưu tiên cho những tiến trình có thời gian xử lý (thời gian cần processor) nhỏ. • Chiến lược này có thể có thời gian chờ đợi trung bình đạt cực tiểu. Nhưng hệ điều hành khó có thể đoán được thời gian xử lý mà tiến trình yêu cầu. 4 Chiến lược nhiều cấp độ ưu tiên • Hệ điều hành phân lớp các tiến trình theo độ ưu tiên của chúng để có cách thức điều phối thích hợp cho từng lớp tiến trình. • Mỗi cấp độ ưu tiên có một ready list riêng. • Bộ điều phối dùng chiến lược điều phối thích hợp cho từng realy list. • Hệ điều hành cũng phải thiết kế một cơ chế thích hợp để điều phối tiến trình giữa các lớp. • Trong chiến lược này hệ điều hành sử dụng độ ưu tiên tĩnh, và điều phối không độc quyền, do đó một tiến trình thuộc ready list ở cấp ưu tiên i sẽ chỉ được cấp phát processor khi trong ready list ở cấp ưu tiên j (j > i) không còn một tiến trình nào. • Các tiến trình ở ready list có độ ưu tiên thấp sẽ phải chờ đợi processor trong một khoảng thời gian dài, có thể là vô hạn. 5 • Để khắc phục điều này hệ điều hành xây dựng chiến lược điều phối: Nhiều mức độ ưu tiên xoay vòng. • Hệ điều hành chuyển dần một tiến trình ở ready list có độ ưu tiên cao xuống ready list có độ ưu tiên thấp hơn sau mỗi lần sử dụng procesor, và ngược lại một tiến trình ở lâu trong ready list có độ ưu tiên thấp thì sẽ được chuyển dần lên ready list có độ ưu tiên cao hơn. Khi xây dựng một giải thuật điều phối nhiều cấp ưu tiên và xoay vòng cần quyếtđịnh các tham số : • Số lượng các cấp ưu tiên • Giải thuật điều phối cho từng danh sách ứng với một cấp ưu tiên. • Phương pháp xác định thời điểm di chuyển một tiến trình lên danh sách có độ ưu tiên cao hơn. • Phương pháp xác định thời điểm di chuyển một tiến trình lên danh sách có độ ưu tiên thấp hơn. • Phương pháp sử dụng để xác định một tiến trình mới được đưa vào hệ thống sẽ thuộc danh sách ứng với độ tiên nào. Chiến lược điều phối Xổ số (Lottery Nguyên tắc : Ý tưởng chính của giải thuật là phát hành một số vé số và phân phối cho các tiến trình trong hệ thống. Khi đến thời điểm ra quyết định điều phối, sẽ tiến hành chọn 1 vé "trúng giải", tiến trình nào sỡ hữu vé này sẽ được nhận CPU 6 Bài tập: 7