Bài giảng Hệ điều hành - Chương 3: Định thời CPU (Điều phối tiến trình) - Võ Quang Hoàng Khang

Võ Quang Hoàng KhangEmail: khangvqh@yahoo.comTT CÔNG NGHỆ THÔNG TINTRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINHĐỊNH THỜI CPU(Điều phối Tiến trình)Mục tiêuHiểu đượcKhái niệm cơ bản về định thờiCác cấp độ định thờiMục tiêu của định thờiCác giải thuật định thời 2ĐỊNH THỜI CPUKhái niệm cơ bản về định thờiTrong 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. 3ĐỊNH THỜI CPUPhân loại các hoạt động định thờiĐịnh thời dài hạn (long-term scheduling): process nào được chấp nhận vào hệ thốngĐịnh thời trung hạn (medium-term sched.): process nào được đưa vào (swap in), đưa ra khỏi (swap out) bộ nhớ chínhĐịnh thời ngắn hạn (short-term sched.): process nào được thực thi tiếp theo4ĐỊNH THỜI CPUĐịnh thời dài hạnXác định chương trình nào sẽ được đưa vào hệ thống để thực thiQuyết định độ-đa-lập-trình (degree of multiprogramming)Nếu càng nhiều process được đưa vào hệ thốngKhả năng các process bị block có xu hướng giảmSử dụng CPU hiệu quả hơnMỗi process được phân chia khoảng thời gian sử dụng CPU thấp hơnThường có xu hướng đưa vào một tập lẫn lộn các CPU-bound process và I/O-bound process5ĐỊNH THỜI CPUĐịnh thời trung hạnQuyết 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 chínhNhưng 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 hợpĐược thực hiện bởi phần mềm quản lý bộ nhớ6ĐỊNH THỜI CPUĐịnh thời ngắn hạnXác định process nào được thực thi tiếp theo, còn gọi là định thời CPUĐược kích hoạt khi có một sự kiện có thể dẫn đến khả năng chọn một process để thực thiNgắt 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 hạn7ĐỊNH THỜI CPUMục tiêu của định thờiSự 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 CPUTính hiệu qủa (Efficiency) : Hệ thống phải tận dụng được CPU 100% thời gianThời gian đáp ứng hợp lý (Response time) : Cực tiểu hoá thời gian hồi đáp cho các tương tác của người sử dụngThời gian lưu lại trong hệ thống ( Turnaround Time) : Cực tiểu hóa thời gian hoàn tất các tác vụ xử lý theo lô8ĐỊNH THỜI CPUMục tiêu của định thờiThông 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.9ĐỊNH THỜI CPUCác giải thuật định thờiĐể 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. 10ĐỊNH THỜI CPUCác giải thuật định thời1234567Ready listWaitting list 1Waitting list 28Hình 2.7: Sơ đồ chuyển tiến trình vào các danh sáchProcessor 11ĐỊNH THỜI CPUCác giải thuật định thờiTrong đó:Tiến trình trong hệ thống được cấp đầy đủ tài nguyên chỉ thiếu processor.Tiến trình được bộ điều phối chọn ra để cấp processor để bắt đầu xử lý.Tiến trình kết thúc xử lý và trả lại processor cho hệ điều hành.Tiến trình hết thời gian được quyền sử dụng processor (time-out), bị bộ điều phối tiến trình thu hồi lại processor. 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). 12ĐỊNH THỜI CPUCác giải thuật định thờiTiến 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). 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.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.13ĐỊNH THỜI CPUChiến 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. 14ĐỊNH THỜI CPUChiến lược FIFO (First In First Out): 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. 15ĐỊNH THỜI CPUVí dụ thực tếViệc phục vụ khách trong nhà hàngThực khách sẽ đến và gọi món ăn cho mìnhMỗi món ăn cần thời gian chuẩn bị khác nhauMục tiêu:Giảm thời gian đợi trung bình của các thực kháchCách làm nào sẽ phù hợp?Thông thường các nhà hàng sẽ phục vụ theo kiểu FIFO (!)16ĐỊNH THỜI CPUChiến lược FIFO (First In First Out): 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. 17ĐỊNH THỜI CPUChiến 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.18ĐỊNH THỜI CPUChiến lược phân phối xoay vòng (RR: Round Robin): Khoảng khoản thời gian mà mỗi tiến trình được sở hữu processor để hoạt động là bằng nhau, và thường được gọi là Quantum. 19ĐỊNH THỜI CPUChiến lược phân phối xoay vòng (RR: Round Robin): 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: 0 4 7 10 14 18 22 26Vậy thời gian chờ đợi trung bình sẽ là: (0 + 6 + 3 + 5)/3 = 4.46 20ĐỊNH THỜI CPUChiến lược phân phối xoay vòng (RR: Round Robin): 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. 21ĐỊNH THỜI CPUChiến 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 ngoàiGiải thuật điều phối với độ ưu tiên có thể theo nguyên tắc độc quyền hay không độc quyền.22ĐỊNH THỜI CPUChiến lược theo độ ưu tiên: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. 23ĐỊNH THỜI CPUChiến lược theo độ ưu tiên: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 724ĐỊNH THỜI CPUChiến lược theo độ ưu tiên: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. 25ĐỊNH THỜI CPUChiến 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.26ĐỊNH THỜI CPUChiến lươc SJF (Shortest Job First: công việc ngắn nhất): 27ĐỊNH THỜI CPUChiến 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.28ĐỊNH THỜI CPUChiến lược nhiều cấp độ ưu tiên 29ĐỊNH THỜI CPUChiến lược nhiều cấp độ ưu tiên 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. Để khắc phục điều này hệ điều hành xây dựng chiến lược điều phối: Nhiều mức độ ưu tiên xoay vòng. 30ĐỊNH THỜI CPUChiến lược nhiều cấp độ ưu tiên 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.31ĐỊNH THỜI CPUChiến lược nhiều cấp độ ưu tiên 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.32ĐỊNH THỜI CPUChiến lược nhiều cấp độ ưu tiên 33ĐỊNH THỜI CPUChiến 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 34ĐỊNH THỜI CPUBài tập 35ĐỊNH THỜI CPUBài tập 36ĐỊNH THỜI CPUBài tập 37ĐỊNH THỜI CPUEnd Of Chapter 3 38ĐỊNH THỜI CPU