Vorlesung: 1 Betriebssysteme / Netze II2011 Prof. Dr. G. Hellberg

Studiengang Informatik FHDWStudiengang Informatik FHDW

Vorlesung: Betriebssysteme IIScheduling

1. Quartal 2011

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-SchedulingWas ist das denn?Haben Sie eine Idee für die grundsätzlichenVerfahren?Welche Kriterien würden Sie für Scheduling-Verfahren verwenden?Was denken Sie, welche Verfahren bei derUmsetzung aktueller BS in der Praxis Anwendung finden?

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-SchedulingEin (Scheduler = Steuerprogramm) ist eine Arbitrationslogik, die die zeitliche Ausführung mehrerer Prozesse in Betriebssystemen regelt. Prozess-Scheduler kann man grob in unterbrechende (preemptive) und nicht unterbrechende (non preemptive, auch kooperativ genannt) aufteilen. Nicht unterbrechende Scheduler lassen einen Prozess, nachdem ihm die CPU einmal zugeteilt wurde, solange laufen, bis dieser diese von sich aus wieder freigibt oder bis er blockiert. Unterbrechende Scheduler teilen die CPU von vornherein nur für eine bestimmte Zeitspanne zu und entziehen dem Prozess diese daraufhin wieder. Weiter ist eine Unterscheidung in "work-conserving" und "non work-conserving" Strategien möglich. Eine Scheduler-Strategie arbeitet "work-conserving", wenn das Umschalten zwischen Prozessen nur eine vernachlässigbar geringe Zeit in Anspruch nimmt.[1] Man kann verschiedene Systeme unterscheiden, in welchen jeweils verschiedene Anforderungen an den Scheduler gestellt werden:Stapelverarbeitungssystemeinteraktive SystemeEchtzeitsysteme

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling ZieleDie Zuteilung der CPU an die Prozesse sollte bestmöglich erfolgen, wobei (abhängig vom ausführenden System) allerdings unterschiedliche Ziele verfolgt werden können:AllgemeinFairness: Kein Prozess sollte unverhältnismäßig lange warten müssen, während ein anderer bevorzugt wird. Balance: Die Prozesse sollten der CPU auf eine Weise zugeteilt werden, dass auch andere Ressourcen wie Festplatte, Netzwerk-Schnittstelle u.a. ausgelastet sind. Einhaltung der Systemregeln

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling ZieleStapelverarbeitungssystemeCPU-Auslastung: Die CPU sollte zu jeder Zeitausgelastet sein. Es soll nicht vorkommen, dass die CPU sich im Leerlauf befindet, nur weil ein Prozessauf Daten von der Festplatte wartet. Durchsatz: Die Anzahl beendeter Aufgaben pro Zeiteinheit sollte maximiert werden. Dies ergibt eineähnliche Strategie wie die Auslastung, betrachtetaber mehr das tatsächliche Ergebnis. kurze Turnaroundzeit (Durchlaufzeit): Die Zeit, die von der Ankunft eines Prozesses bis zu seiner vollständigen Beendigung vergeht, sollte minimiertwerden.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling ZieleInteraktive Systeme (Dialogsysteme)Schnelle Antwortzeiten: Die Wartezeiten des Benutzers (oder anderer Systeme) sollten minimiertwerden. Prozesse, die eine Interaktion mit demBenutzer erfordern, sollten also bevorzugt werdenvor solchen, die im Hintergrund stattfinden können.

Proportionalität: Die Antwortzeiten verschiedenerProzesse sollten den Erwartungen des Benutzersentsprechen. Werden Prozesse (wie z.B. das Schließen einer Anwendung) vom Benutzer alssimpel betrachtet, sollten diese auch schnellausgeführt werden.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling ZieleEchtzeitsystemeDeadlines einhaltenVorhersagbarkeit: Wichtig für Multimedia-Anwendungen (da sonst z.B. Verschlechterung der Tonqualität droht)

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Strategien :StrategienDas größte Problem des Schedulers ist die Tatsache, dass die benötigten Betriebsmittelfür die einzelnen Prozesse nicht im Vorfeldbekannt sind. Es lässt sich also imAllgemeinen keine optimale Planungerstellen, sondern der Scheduler muss dynamisch auf geänderte Anforderungenreagieren. Dabei können (abhängig vomScheduler) verschiedeneZuteilungsstrategien zum Einsatz kommen. Unter anderem:

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Strategien :First-Come First-Served (FCFS, FIFO): Hierbeiwerden alle Prozesse in der Reihenfolge ihresEingangs bearbeitet. Eine Neuzuteilung derProzesse findet erst statt, wenn der laufendeProzess zu warten beginnt oder seine Ausführungbeendet ist.Diese Strategie erzielt eine guteAuslastung bezüglich der CPU, allerdings nichtbezüglich Ressourcen, die längere Zeit für eineAnforderung benötigen können, wie z. B. Ein-/Ausgabe oder Massenspeicher. FürMehrbenutzersysteme ist die Strategie darüberhinaus wenig geeignet, da einzelne Benutzer so ggf. für längere Zeit (nämlich bei aufwendigenProzessen anderer Benutzer) ausgeschlossenwerden.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Strategien :

Shortest Job First (SJF, SPT) ist einweiteres Verfahren, das nicht fürMehrbenutzersysteme geeignet ist. SJF lässtsich in Fällen einsetzen, in denen die benötigte Rechenzeit für einzelne Aufgabenaus Erfahrungswerten gut vorhergesagtwerden kann. Ein Nachteil ist, dass großeProzesse u. U. niemals die CPU zugeteiltbekommen, wenn sich immer kürzere Jobs vordrängeln.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Strategien :

Shortest-Remaining -Time , Shortest-Remaining -Processing -Time entsprichtdem SPT-Verfahren. Anders als beim SPT-Verfahren wird hier ein Prozesswechseldurchgeführt, wenn ein neu ankommenderProzess eine kürzere Ausführungszeitaufweist, als die verbleibende des aktuellenProzesses.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Strategien :

Round Robin (Zeitscheibenverfahren): Einem Prozess wird die CPU für einebestimmte (kurze) Zeitspanne zugeteilt. Danach wird der Prozess wieder hinten in die Warteschlange eingereiht.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Strategien :

Earliest Due Date : Bei dieser Strategiewerden diejenigen Prozesse zuerstausgeführt, welche die geringste Deadlinehaben. Voraussetzung dafür sind statischeDeadlines und gleichzeitiges Eintreffen von einander unabhängiger Tasks. Dieses nichtunterbrechende Verfahren ist ideal, um die maximale Verspätung zu minimieren.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Strategien :Prioritätsscheduling : Bei dieser Strategie wird jedemProzess eine Priorität zugeordnet. Die Abarbeitung erfolgtdann in der Reihenfolge der Prioritäten. Da es sich dann(innerhalb der gleichen Prioritäten) um eine Strategie derEingangsreihenfolge handelt, wird diesem Verfahrenmeistens noch ein Zeitscheibenverfahren untergeordnet(diese nennt man dann u.a. auch Multilevel Feedback Queue Scheduling , Shortest-Elapsed-Time (SET) ), um trotzdem eine schnelle Antwortzeit zu ermöglichen. Zusätzlich wird in den verbreiteten Schedulern mitdynamischen Prioritäten gearbeitet, wobei sich die Prioritäteines Prozesses mit der Zeit erhöht, damit auch niedrigpriorisierte Prozesse irgendwann bearbeitet werden und nicht ständig von höher priorisierten Prozessen verdrängtwerden.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Strategien :

Terminabh ängige Ablaufplanung : DieseStrategie kommt hauptsächlich in Echtzeitsystemen vor. Dabei werden die Prozesse bevorzugt verarbeitet, die alserstes beendet sein müssen. Damit ist esmöglich, eine definierte Antwortzeit fürbestimmte Prozesse zu garantieren.

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Verfahren :Scheduling-Verfahren ICompletely Fair Scheduler (CFS), neuester Scheduler von Linux seit 2.6.23 CoschedulingCOVERT (Cost Over Time)Deadline Monotonic Scheduling (DMS) Earliest Deadline First (EDF) (Planen nach Fristen) Fair-Share-SchedulingFirst Come First Serve (FCFS) bzw. First In – First Out(FIFO) Generalized Processor Sharing (GPS) GruppenschedulingHighest Response Ratio Next (HRRN) Least Laxity First (Planen nach Spielraum) Least recently used (LRU)

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-Scheduling Verfahren :Scheduling-Verfahren IILotterie-SchedulingMultilevel Feedback QueuePlanen durch SuchenPrioritätsscheduling (PS) Priority Exchange ServerRate Monotonic Scheduling (RMS) (Planen nach monotonen Raten) Round-Robin-StrategieShortest-Job-FirstShortest-Process-Next (SPN) Shortest-Remaining-Time (SRT) Soft_affinity (SA) Sporadic SchedulingThree-Level-SchedulingWeighted Round Robin (WRR)

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Betriebssysteme: SchedulingScheduling-Verfahren

Completely Fair Scheduler (CFS) (Scheduler für Linux seit 2.6.23 )Der Completely Fair Scheduler (kurz CFS) ist ein Prozess-Schedulerin der Informatik. Solche Scheduler werden verwendet, um die Prioritätvon Programmabläufen auf Kernelebene von Betriebssystemen zuverwalten. CFS wurde von Ingo Molnár entwickelt und ersetzte mit derLinux-Kernelversion 2.6.23 im Oktober 2007 den zuvor implementiertenO(1)-Scheduler.Der CFS garantiert eine faire Aufteilung der Prozessorzeit. Er verzichtetim Gegensatz zum O(1)-Scheduler auf Heuristiken und Statistiken. ImIdealfall läuft beim CFS jeder Task quasiparallel in gleicherGeschwindigkeit. Der CFS kennt keine Runqueue, keine Timeslices und kein Array-Switching, weil es kein expired-Array gibt. Stattdessen istjedem Prozess ein wait_runtime-Wert zugeordnet, der auf Nanosekunden genau bestimmt ist, und eine Aussage darüber macht, wie lange der Prozess auf seine Ausführung wartet. Derjenige Prozessmit höchster wait_runtime wird gewählt. Als Struktur wird dafür ein nachder wait_runtime sortierter Rot-Schwarz-Baum verwendet.[1]

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Betriebssysteme: SchedulingProzess-SchedulingGrundsätzliches VerfahrenKriterien für Scheduling-VerfahrenRound-Robin-SchedulingPrioritäts-SchedulingMehrere SchlangenShortest-Job-FirstGarantiertes SchedulingZweistufiges SchedulingUmsetzung bei den aktuellen BS in derPraxis

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Betriebssysteme: SchedulingDetaillierte Diskussion der Scheduling-Verfahren

Verschiedene KriterienVor- und Nachteile der unterschiedlichen Verfahren

Round-Robin-SchedulingPrioritäts-Scheduling

Zweistufiges SchedulingUmsetzung bei den aktuellen BS in der Praxis

Beispiel Windows NT 4.0Aufbau und Architektur von Windows-NT 4.0 (sieheauch White-Paper)

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Betriebssysteme: Speicherverw.SpeicherverwaltungAufgaben der SpeicherverwaltungEinfache SpeicherverwaltungFragmentierung (interne / externe)Verschiebbarkeit (Relocation)Organisationsformen (Bitmap, verketteteListen..)Virtueller SpeicherSegmente, Seiten, Seitenrahmen

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Betriebssysteme: Speicherverw.Allgemeine SpeicherverwaltungVirtuelle SpeicherverwaltungPaging / Demand PagingCachingSwappingVerschiedene Realisierungen bei aktuellenBetriebssystem-VariantenTranslation LookAside Buffer ( TLAB)ThrashingLokalitätsprinzipWorking Set

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Wg. Betriebssysteme: Speicherverw.Speicherverwaltung am Beispiel von LinuxPaging

Das Virtuelle SpeichermodellDie Page Table im DetailPage Allocation und Page DeallocationMemory Mapping & Demand Paging

CachingDie verschiedenen Caches

SwappingAuslagern von SpeicherseitenDer Kernel Swap Demon (kswapd)Freimachen von Speicherseiten

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Wg. Betriebssysteme: Speicherverw.Speicherverwaltung bei LinuxPaging, Caching, SwappingEin- /Ausgabe-System AnforderungenPhysisches Ein- /Ausgabe-SystemAufgaben eines GerätetreibersPolling / InterruptLogisches Ein- /Ausgabe-SystemDateiverwaltung

Dateikonzept (Datei, Dateisystem)

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Betriebssysteme: DateiverwaltungDateiverwaltung

Dateikonzept (Datei, Dateisystem)Dateiorganisation logische Struktur

ZugriffsformenSequentieller Zugriff

Wahlfreier ZugriffIndexsequentieller Zugriff

Speicherplatzzuordnung und -VerwaltungVerzeichnisseDatenträger- OrganisationBeispiel: Virtuelle Maschinen und Dateisysteme

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Betriebssysteme: DateiverwaltungDatenträger-OrganisationSicherheit und ZugriffsschutzLeistungsverbesserungenSystemdienste zur DateiverwaltungPraktische Beispiele für den Einsatz von Dateisystemen (MS-DOS, NTFS, ext2...)

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Betriebssysteme: AktuellesNach der kurzen Wiederholung derwichtigsten Begrifflichkeiten und Zusammenhänge werden aktuelleEntwicklungen und Tendenzen im Umfeldder Betriebssysteme und Netzwerke zurMotivation gegeben.Wovon haben Sie gehört?Was wird benötigt?Verschiedene Anwendungs /EinsatzbereicheKosten- /Nutzen BetrachtungenPraktische Beispiele und Ausblick

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ENDE

Fragen?Fragen?

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QuellenTannenbaum, Andrew, Moderne BetriebssystemeM. Weber, Foliensatz Universität UlmMicrosoft WhitepapersNovell Brainshare 2004Novell Papers 2003 / 2004Novell Tour 2004Präsentation Oracle 2004Präsentation Targosoft 2004Präsentation Matsushita 2004