Тема 11. Управление процессорами и заданиями в однопроцессорном вычислительном комплексе. Алгоритмы планирования процессов
Эти две подсистемы ОС выполняют сходные функции: планирование загрузки процессоров и планирование загрузки вычислительных комплексов, имеют сходные механизмы планирования, работающие на разных уровнях - процессов и заданий пользователя соответственно.
В однопроцессорной ЭВМ подсистема управления процессорами выполняет единственную функцию: диспетчирования процессов, то есть планирует загрузку ЦП.
Система управления заданиями управляет прохождением заданий в ВС и выполняет следующие функции:
1.Предоставление языковых средств управления работами в вычислительной системе (Job Control Language (JCL) в ОС ЕС ЭВМ ,ShellвUNIX).
2.Ввод и интерпретация заданий/команд.
3.Выделение и освобождение необходимых ресурсов.
4.Планирование заданий на выполнение.
5.Сбор и предоставление информации о состоянии заданий.
В однопроцессорном вычислительном комплексе существует три основных уровня планирования:
1.Планирование на верхнем уровне или планирование заданий.
На этом уровне осуществляется выбор заданий пользователем для выполнения и их запуск. Выбранные задания становятся готовыми процессами. Эту работу выполняет системный компонент - планировщик заданий.
2.Планирование на нижнем уровне или диспетчирование процессов.
Здесь осуществляется выбор готового процесса для выполнения, то есть предоставления ему ЦП. Выбранный процесс становится активным. Эту работу выполняет системный компонент - диспетчер.
3.Планирование на промежуточном уровне.
На данном уровне определяется, каким процессам будет разрешено состязаться за захват ЦП, то есть быть готовыми, и какие процессы будут кратковременно приостановлены (задержаны) для оптимизации загрузки системы. Промежуточное планирование управляет текущей производительностью вычислительной системы.
В соответствии с тремя уровнями планирования, из которых два обязательны, существует двух и трехуровневые системы планирования.
Типичная двухуровневая система планирования имеет следующий вид:
Рисунок 1. Двухуровневая процедура планирования
Двухуровневая процедура вводится в системах с ограниченным мультипрограммированием, что определяется ограниченными ресурсами и производительностью вычислительной системы. Это основная схема для ВС с реальной ОП без поддержки систем реального времени (СРВ).
В вычислительных системах с ВП, допускающих неограниченный уровень мультипрограммирования и СРВ, требующих высокую реактивность системы, используется трехуровневая система планирования, представленная на рисунке 2.
Рисунок 2. Трехуровневая система планирования
Эффективное планирование заданий и процессов является сложной проблемой, поскольку должно учитываться много противоречивых требований, таких как:
cправедливость;
максимальная пропускная способность;
приемлемое время ответа для максимального числа интерактивных пользователей;
предсказуемость (задание должно выполняться примерно за одно время независимо от загрузки вычислительной системы);
минимум накладных расходов на выполнение планирования;
сбалансированность использования ресурсов;
исключение бесконечного откладывания;
учет приоритетов;
отдавать предпочтение процессам, занимающие ключевые ресурсы;
плавно деградировать при увеличении нагрузок.
Для того чтобы реализовать перечисленные требования, механизм планирования должен знать и учитывать следующие факторы:
является ли процесс обменным (активно использующим операции ввода/вывода) или вычислительным (активно использующим процессор);
является ли процесс пакетным или диалоговым;
уровень реактивности интерактивного процесса;
приоритетность процесса;
частота прерываний по отсутствию нужной страницы;
частота прерывания с низкого приоритета на высокий;
длительность периода ожиданий ЦП процесса;
суммарное использование времени ЦП и оценочное время, необходимое для завершения.
Существует множество различных алгоритмов планирования процессов, преследующих различные цели и обеспечивающих различное качество мультипрограммирования. Среди этого множества алгоритмов рассмотрим подробнее две группы наиболее часто встречающихся алгоритмов: алгоритмы, основанные на приоритетах,и алгоритмы, основанные на квантовании.
В соответствии с алгоритмами, основанными на квантовании, смена активного процесса происходит, если:
процесс завершился и покинул систему,
произошла ошибка,
процесс перешел в состояние ОЖИДАНИЕ,
исчерпан квант процессорного времени, отведенный данному процессу.
Процесс, который исчерпал свой квант, переводится в состояние ГОТОВНОСТЬ и ожидает, когда ему будет предоставлен новый квант процессорного времени, а на выполнение в соответствии с определенным правилом выбирается новый процесс из очереди готовых. Таким образом, ни один процесс не занимает процессор надолго, поэтому квантование широко используется в системах разделения времени.
Кванты, выделяемые процессам, могут быть одинаковыми для всех процессов или различными. Кванты, выделяемые одному процессу, могут быть фиксированной величины или изменяться в разные периоды жизни процесса. Процессы, которые не полностью использовали выделенный им квант (например, из-за ухода на выполнение операций ввода-вывода), могут получить или не получить компенсацию в виде привилегий при последующем обслуживании. По разному может быть организована очередь готовых процессов: циклически, по правилу "первый пришел - первый обслужился" (FIFO) или по правилу "последний пришел - первый обслужился" (LIFO).
Многие современные системы планирования основывается на системе приоритетов, которая воплощается в соответствующих дисциплинах планирования. Приоритет- это число, характеризующее степень привилегированности процесса при использовании ресурсов вычислительной машины, в частности, процессорного времени: чем выше приоритет, тем выше привилегии.
Приоритеты подразделяются на статические, назначаемые извне системы администрацией ВЦ, и динамические, присваиваемые системой автоматически в соответствии с поведением, потребностями в ресурсах и прочими характеристиками процессов.
Начальные значения динамических приоритетов обычно устанавливаются на основе статического, но действуют в течение короткого времени. Существует две разновидности приоритетных алгоритмов: алгоритмы, использующие относительные приоритеты, и алгоритмы, использующие абсолютные приоритеты.
В обоих случаях выбор процесса на выполнение из очереди готовых осуществляется одинаково: выбирается процесс, имеющий наивысший приоритет. По-разному решается проблема определения момента смены активного процесса. В системах с относительными приоритетами активный процесс выполняется до тех пор, пока он сам не покинет процессор, перейдя в состояние ОЖИДАНИЕ (или же произойдет ошибка, или процесс завершится). В системах с абсолютными приоритетами выполнение активного процесса прерывается еще при одном условии: если в очереди готовых процессов появился процесс, приоритет которого выше приоритета активного процесса. В этом случае прерванный процесс переходит в состояние готовности.
Во многих операционных системах алгоритмы планирования построены с использованием как квантования, так и приоритетов. Например, в основе планирования лежит квантование, но величина кванта и/или порядок выбора процесса из очереди готовых определяется приоритетами процессов.
Для установления значений приоритетов заданий и процессов используются следующие дисциплины планирования и их различные комбинации.
Планирование по сроку завершения, гарантирующее выполнение задания в назначенное время. Это сложная проблема в мультипрограммных системах, поскольку пользователь должен точно указать все требуемые ресурсы. Необходимо активное управление ресурсами, что связано с высокими накладными расходами. Недостаток: несправедливо к другим пользователям (протекционизм).
Планирование по принципу FIFO, где ЦП предоставляется процессам в порядке готовности, и они выполняются до завершения или блокировки. Это самая простая дисциплина планирования фактически без переключения ЦП. Формально - справедливый принцип, но фактически не справедлив, так как длинные задания заставляют ждать короткие. Менее важные - заставляют ждать более важные. Характеризуется небольшим колебанием времени выполнения и большей предсказуемостью, нежели другие дисциплины. Используется только в пакетных системах, не гарантирует реактивности системы и обычно в комбинации с другими дисциплинами.
Циклическое или круговое планирование, где каждому готовому процессу в цикле представляется квант времени. По истечении кванта времени процесс переходит в конец очереди готовых процессов. При блокировке квант теряется. Эффективно для СРВ, так как гарантирует приемлемое время ответа для всех интерактивных пользователей. Основная проблема выбора - оптимальный размер кванта. Стараются выбрать такой размер, чтобы большинство рядовых запросов обслуживались за один квант.
Планирование по принципу - "кратчайшее задание - первым" или "по наименьшему оставшемуся времени выполнения". Максимальный приоритет назначается процессу, либо заданию с минимальным оценочным временем до завершения. Недостаток: время ожидания на большие задания растет; большие издержки на регистрацию истекшего времени обслуживания. Достоинство: сокращение очередей заданий и ожидающих процессов; стремится к минимальному времени ожиданий для заданий.
Планирование по времени нахождения в системе, в которой приоритет есть функция времени обслуживания и времени ожидания.
Приоритет =
Приоритет отдает меньшее предпочтение коротким заданиям и без предубеждения относится к длинным. Чем реже процесс получает ЦП, тем выше его приоритет. Задания с вводом/выводом повышают приоритет.
Сеть многоуровневых очередей с обратными связями (рисунок 3), которая имеет следующие достоинства:
определяет характер процессов и разделяет на соответствующие категории;
отдает предпочтение коротким процессам;
отдает предпочтение обменным процессам с хорошим коэффициентом использования устройств ввода/вывода. Это наиболее совершенный и сложный механизм планирования.
Рисунок 3. Сеть многоуровневых очередей
Сеть представляет собой упорядоченную структуру очередей готовых процессов, работающих с различными дисциплинами обслуживания. Каждый процесс входит в сеть очередей с конца верхней очереди и перемещается по FIFO пока не получит ЦП. Процесс выполняется. Если в течение кванта процесс запросил выполнение операции ввода/вывода, то он после завершения операции будет установлен в очередь готовых процессов текущего уровня. Если в течение выделенного кванта времени процесс не завершился, то он устанавливется в очередь готовых процессов следующего уровня, у которого понижен приоритет и увеличен квант времени. Таким образом, чем больше время работы процесса, тем больший квант времени выделяется, но меньше приоритет, что приводит к получению ЦП реже, но на более длительный период.
Таким образом, сеть многоуровневых очередей - это адаптивный механизм планирования, который реагирует на изменение поведения системы.
В ОС OS/2, UNIX приоритеты устанавливаются с помощью класса приоритета и уровня приоритета в классе. Есть три класса приоритета и 32 различных уровня приоритета для класса.
Классы бывают:
Критический или высокий- для программ управления процессом или связью с другими компьютерами;
Обыкновенный - для большинства программ пользователя;
Запасной или низкий - задачи и процессы из этого класса выполняются, если в очереди нет критических или обыкновенных задач.
Модуль 6. Управление процессорами
