exam03 3
Реферат к лекции 3 (19). Вертикальные и горизонтальные взаимодействия.
Диспетчеризация процессов (задач) – это определение очерёдности получения процессора для процессов (задач), находящихся в состоянии готовности, с целью их выполнения.
Диспетчеризация процесса связана с его переводом из состояния готовности в состояние выполнения (счёта). Диспетчеризация, для конкретного процесса, может выполняться многократно, т. е. процесс может несколько раз переходить из состояния готовности в состояние выполнения и обратно на интервале своего существования. Так как в каждый такт процессорного времени могут выполняться команды только одной задачи, диспетчеризация предполагает создание и модификацию очереди готовых к выполнению задач (процессов). Элементами такой очереди (как и других очередей в вычислительной системе) на “физическом уровне” являются дескрипторы задач.
Имеется пять основных критериев диспетчеризации процессора, которые так или иначе должны учитываться системой:
1. Использование процессора (CPU utilization) – поддержание его в режиме занятости максимально возможный период времени. Критерий оптимизации: максимизация данного показателя.
2. Пропускная способность системы (throughput) – (среднее) число процессов, завершающих свое выполнение за единицу времени. Критерий оптимизации: максимизация.
3. Время обработки процесса (turnaround time) – время, необходимое для исполнения какого-либо процесса. Критерий оптимизации: минимизация.
4. Время ожидания (waiting time) – время, которое процесс ждет в очереди процессов, готовых к выполнению. Критерий оптимизации: минимизация.
5. Время ответа (response time) – время, требуемое от момента первого запроса до первого ответа. Критерий оптимизации: минимизация.
Дисциплина диспетчеризации – это некоторое основное правило, реализующее очерёдность предоставления (выделения) процессора (процессорного времени) готовым к выполнению задачам (процессам).
Любая конкретная дисциплина диспетчеризации выполняет две взаимосвязанные функции – выделение процессорного времени конкретной задаче (процессу), и создание и модификация очереди готовых к выполнению задач (обслуживание очереди). Дисциплина диспетчеризации реализуется специальной компонентой ОС – диспетчером (диспетчером задач).
Рассмотрим наиболее важные алгоритмы диспетчеризации:
- FCFS (first come – first served – первым пришёл, первым обслужился ) – прежде процессор получает та задача, которая раньше перешла в состояние готовности. Данная дисциплина проста в реализации, равноправна по отношению как к “длинным ” так и к “коротким” процессам, среднее время пребывания в очереди готовности весьма значительное.
Рассмотрим следующий пример. Пусть процессы P1, P2 и P3 введены в систему в указанном порядке со следующими периодами активности:
| Процесс | Период активности |
|---|---|
| P1 | 24 |
| P2 | 3 |
| P3 | 3 |
Тогда при использовании стратегии FCFS для их диспетчеризации первым получит процессор первый процесс, несмотря на то, что он – наиболее долгий.
- SJF (Shortest Job First, обслуживание самого короткого задания первым) – стратегия диспетчеризации процессора, при которой процессор предоставляется в первую очередь наиболее короткому процессу из имеющихся в системе. В данном случае с каждым процессом связывается длина его очередного периода активности. Эта длина используется для того, чтобы первым обслужить самый короткий процесс.
Возможны две схемы применения данной стратегии:
-
Без прерывания процессов – пока процессу предоставляется процессор, он не может быть прерван, пока не истечет его квант времени.
-
С прерыванием процессов – если приходит новый процесс, время активности которого меньше, чем оставшееся время активного процесса, - прервать активный процесс. Эта схема известна под названием Shortest-Remaining-Time-First (SRTF). Нетрудно видеть, что стратегия SJF оптимальна, в том смысле, что она обеспечивает минимальное среднее время ожидания для заданного набора процессов.
Рассмотрим пример применения стратегии SJF без прерывания процессов. Пусть набор процессов, времен их появления в системе и времен их активности следующие:
| Процесс | Время появления | Время активности |
|---|---|---|
| P1 | 0.0 | 7 |
| P2 | 2.0 | 4 |
| P3 | 4.0 | 1 |
| P4 | 5.0 | 4 |
Схема их диспетчеризации по стратегии SJF без прерывания процессов:
-
SJN (shortest job next – следующий с кратчайшим заданием) – прежде процессор получает ту задачу, которая имеет минимальное заказное время обслуживания. Данная дисциплина требует, чтобы для каждой задачи была известна оценка потребности в машинном времени, значение которой задаётся как параметр задачи. Такая дисциплина более сложна в реализации по сравнению с FCFS, она дискриминационна по отношению к “длинным процессам”, среднее время пребывания в очереди готовности меньше чем для FCFS. SJN имеет существенный недостаток. Задачи, которые были временно заблокированы (например, ожидали завершения ввода/вывода), в результате попадут в конец очереди готовности, даже если для их выполнения требуется небольшое процессорное время.
-
SRT (shortest remaining time) – прежде процессор получает задачу, которая имеет меньше всего времени для своего завершения. Это время определяется как разность между заказанным временем обслуживания и тем процессорным временем, которое задача уже получила. SRT свободна от недостатка, характерного для SJN. SRT сложна в реализации и дискриминационна по отношению к “длинным” процессам.
Рассмотренные дисциплины диспетчеризации являются невытесняющими, в отличие от вытесняющих дисциплин, которые будут описаны далее. Вытесняющей дисциплиной диспетчеризации будем называть такую дисциплину, которая предполагает возможное прерывание выполнения текущей задачи с целью предоставления процессора другой готовой к выполнению задаче.
Рассмотрим некоторые основные вытесняющие алгоритмы диспетчеризации:
- RR (round robin) – циклическая (карусельная) дисциплина. Диспетчер выделяет готовой к выполнению задаче некоторый квант процессорного времени (интервал мультиплексирования). Если задача не успевает выполниться в течение этого кванта, диспетчер переводит её обратно в конец очереди готовности и выделяет следующий квант процессорного времени для другой готовой задачи. Данная дисциплина является дискриминационной по отношению к длинным процессам. Её удобно использовать в многопользовательских вычислительных системах, где требуется обслуживать большое число запросов, поступающих с различных рабочих станций системы.
Производительность данной стратегии зависит от коэффициента q:
- если q велико, то стратегия фактически эквивалентна стратегии FCFS;
- если q мало, то q должно быть большим, чем время контекстного переключения, иначе слишком велики окажутся накладные расходы на переключения с одного процесса на другой.
Рассмотрим пример применения стратегии RR. Пусть в системе имеются следующие процессы со следующими временами активности:
| Процесс | Время активности |
|---|---|
| P1 | 53 |
| P2 | 17 |
| P3 | 68 |
| P4 | 24 |
Схема диспетчеризации процессора по стратегии RR с квантом времени q = 20:
Обычно стратегия RR имеет худшее время оборота, чем SJF (так как каждый процесс должен ждать до предоставления следующего кванта времени, пока кванты времени будут предоставлены всем другим процессам), но лучшее время ответа.
-
Дисциплины на основе абсолютных приоритетов задач. Каждая задача имеет приоритет, выраженный конкретным значением, который не меняется на всём интервале существования задачи. Прежде процессор будет получать та готовая задача, которая в данный момент имеет максимальный приоритет по отношению к другим готовым задачам. Данная дисциплина характерна для систем реального времени, она дискриминационна по отношению к длинным процессам и не даёт гарантий обслуживания для таких процессов.
-
Дисциплины на основе динамических приоритетов задач. Для каждой задачи задаётся начальное значение приоритета, которое затем изменяется во времени. Таким образом, приоритет задачи есть функция времени. Конкретный вид таких функций может быть разный, но общая их направленность состоит в том, что, чем дольше задача находится в очереди готовности, тем выше становится её приоритет. Это позволяет гарантировать обслуживание как коротких так и длинных процессов.
-
Дисциплины с несколькими очередями. Диспетчер поддерживает несколько очередей готовых к выполнению задач. Каждая очередь обслуживается по своей дисциплине. Такой диспетчер сложен в реализации, так как в его составе должен быть дополнительный механизм переключения с одной очереди готовности на другую. Более простой способ реализации диспетчера (статический) предполагает, что задача попав в некоторую очередь готовности, там и остаётся до своего полного выполнения. Более сложным способом реализации (динамическим) является способ, при котором задача может переходить из одной очереди готовности в другую на интервале своего существования.