d`ordonnancement avec priorité

Ordonnancement de la CPU
Abdelouahed Gherbi
Hiver 2014
LOG 710 Hiver2014
1
Plan
• Concepts de base
–
–
–
–
Cycle CPU – Cycle E/S
Ordonnanceur de CPU
Ordonnancement préemptif (avec réquisition)
Critères d’ordonnancement
• Algorithmes d’ordonnancement
–
–
–
–
–
–
Ordonnancement du premier arrivé, premier servi (FCFS)
Ordonnancement du travail le plus court d’abord (SJF)
Ordonnancement avec priorité
Ordonnancement à tourniquet (Round-Robin)
Ordonnancement avec files multiniveaux
Ordonnancement avec files multiniveaux avec retour
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Introduction
• Ordonnancement de la CPU (CPU scheduling)
– Est à la base des OS multiprogrammés
• La commutation (switching) de la CPU entre plusieurs processus
permet de rendre l’ordinateur plus productif
• Dans ce cours
– Introduction des concepts de base de l’ordonnancement de la CPU
– Présentation de quelques algorithmes d’ordonnancement
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Concepts de base
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4
Ordonnancement
• Dans un monoprocesseur
– Un seul processus est en exécution à un instant donné
– Les autres processus soit ils attendent que la CPU soit libre (processus prêts)
soit qu’Ils attendent un évènement (fin d’E/S, libération d’une ressource)
• La multiprogrammation permet d’avoir un processus en exécution en
tout temps (maximiser l’utilisation de la CPU)
–
–
–
–
–
Un processus s’exécute jusqu’au moment où il doit attendre
Typiquement : attendre la terminaison d’une requête d’E/S
Sans la multiprogrammation : la CPU est oisive (idle)  perte de temps.
Avec la multiprogrammation : ce temps est utilisé productivement
Quand un processus doit attendre : OS assigne la CPU à un autre processus
• Ce patron se répète
– à chaque fois qu’un processus doit attendre, un autre processus prend la CPU
• Ceci est une fonction fondamentale de l’OS : Ordonnancement
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Cycle CPU – Cycle E/S
•
L’exécution d’un processus consiste en une alternance
– Cycle CPU
– Cycle E/S
•
Les durées des cycles CPU ont été mesurés extensivement
– Variation entre processus et ordis
– Une tendance : plusieurs cycle courts de CPU et quelques longs
cycles CPU
Alternance cycle CPU-cycle E/S [1]
Distribution typique des cycles CPU [1]
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Ordonnanceur de CPU
• A chaque fois qu’un processus deviens oisif (idle)
– OS doit sélectionner un processus dans la file des processus prêts pour lui
assigner la CPU
• Cette sélection est effectuée par l’ordonnanceur à court terme
(ordonnanceur de CPU)
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Quand est ce qu’on décide
d’ordonnancer ?
• La décision d’ordonnancement est prise
quand :
1.
2.
3.
4.
5.
Un nouveau processus est admis dans la
file des processus prêt
Un processus passe de l’état en
exécution à l’état en attente
Un processus passe de l’état en
exécution à l’état prêt
Un processus passe de l’état en attente
à l’état prêt
Un processus passe à l’état terminé
• Dans les cas 2 et 5 :
– pas de choix d’ordonnancement
– un nouveau processus de la file prêt (s’Il y
en a) doit être sélectionné.
Diagramme de transition d’états des processus [1]
• Dans les cas 1, 3 et 4:
– Il y a un choix
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Ordonnancement préemptif
• Quand l’ordonnancement se fait seulement dans les cas 2 et
5
– Ordonnancement non préemptif ou coopératif (sans réquisition)
– Une fois la CPU est attribuée à un processus, il garde la CPU jusqu’à
ce qu’il la libère en terminant ou il quand il doit attendre
• Sinon :
– Ordonnancement préemptif (avec réquisition)
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Dispatcheur
• Module qui donne le contrôle de la CPU à un processus qui a été
sélectionné par l’ordonnanceur
• La fonction du dispatcheur inclut :
– La commutation de contexte
– Le passage au mode utilisateur
– Le branchement vers la l’emplacement appropriée dans le code du processus
sélectionné pour le démarrer
• Le dispatcheur doit être très rapide car il est invoqué dans chaque
commutation de contexte
• Le temps pris par un dispatcheur d’arrêter un processus et démarrer un
autre est appelée latence de dispatch
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Critères d’ordonnancement
•
Plusieurs critères peuvent être utilisés pour comparer les algorithmes d’ordonnancement
•
Utilisation de la CPU
– On désire occuper la CPU le plus possible
– Conceptuellement : 0 à 100% mais pratiquement 40% - 90%
•
Débit (throughput)
– Nombre de processus complétés par unité de temps
– Processus long : 1 processus / heure – transaction courtes : 10 processus /sec
•
Temps de rotation (turnaround time)
– Perspective d’un processus particulier : temps pris pour exécuter complétement un processus
– Intervalle de temps entre la soumission de ce processus et son achèvement
– La somme des périodes d’attente dans les files, d’E/S et d’exécution
•
Temps d’attente
– L’algorithme d’ordonnancement n’affecte pas le temps durant lequel le processus s’exécute ou attend une E/S
– Il affecte le temps durant lequel le processus attend dans la file des processus prêt
– Temps d’attente : la somme des périodes passées en attente dans la file des processus prêts
•
Temps de réponse
– Dans un système interactif, le temps de rotation n’est pas nécessairement le meilleur critère
– Un processus peut rapidement produire des sorties et continuer à calculer d’autres résultats pendant que les
premières sorties sont données à l’utilisateur
– Temps de réponse :
•
•
temps entre la soumission d’une requête et le production de la première réponse
Temps nécessaire pour commencer à répondre et non le temps pour sortir cette réponse
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Algorithmes d’ordonnancement
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Premier arrivé premier servi (FCFS)
• Le plus simple algorithme d’ordonnancement
• Le premier processus qui demande la CPU la reçoit en premier
• L’implémentation de FCFS est facilement gérée par une file FIFO
• Quand un processus entre dans la file des processus prêt, sont PCB est
chainé à la fin de la file
• Lorsque la CPU est libérée, on l’alloue au processus en tête de la file
• Le processus en cours d’exécution est alors retiré de la file
• Le code de FCFS est simple à écrire et à comprendre
• Le temps d’attente moyen avec FCFS est souvent long !!!
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Premier arrivé premier servi (FCFS)
• On considère l’ensemble des processus suivants :
Processus
Cycle CPU
P1
24
P2
3
P3
3
• On suppose que les processus arrivent à l’instant 0 et admis dans l’ordre : P1 , P2 , P3
• Le diagramme de Gantt pour l’ordonnancement FCFS de cet ensemble est :
• Temps d’attente pour P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27
• Temps d’attente moyen : (0 + 24 + 27)/3 = 17
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Premier arrivé premier servi (FCFS)
•
Supposons que les processus arrivent dans l’ordre P2 , P3 , P1
•
Le diagramme de Gantt pour l’ordonnancement FCFS est :
•
Temps d’attente P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3
•
Temps d’attente moyen est: (6 + 0 + 3)/3 = 3
•
On obtient donc une réduction substantielle
•
Temps d’attente moyen sous FCFS n’est pas minimal et peut varier substantiellement si le temps des cycles CPU
varient d’une manière importante.
•
Note : FCFS est non préemptif (sans réquisition)
•
Est-ce que FCFS est adéquat pour les système à temps partagé (time sharing)?
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Travail le plus court d’abord (SJF)
• Shortest job first (SJF)
• SJF associe à chaque processus la longueur du prochain
cycle CPU
• Lorsque la CPU est disponible, on l’alloue au processus
ayant le plus petit prochain cycle CPU
• Si les prochains cycles CPU de deux processus sont
identiques, on utilise FCFS (tie break !!)
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Travail le plus court d’abord (SJF)
•
On considère l’ensemble de processus suivant :
Processus
Cycle CPU
P1
6
P2
8
P3
7
P4
3
•
Le diagramme de Gantt avec SJF est :
•
Temps d’attente P1 = 3, P2 = 16; P3 = 9 et P 4 = 0
•
Temps d’attente moyen est = (3 + 16 + 9 + 0) / 4 = 7
•
Exercice : Par comparaison avec FCFS on obtient un temps d’attente = ?
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Travail le plus court d’abord (SJF)
•
On considère l’ensemble de processus suivant :
Processus
Cycle CPU
P1
6
P2
8
P3
7
P4
3
•
Le diagramme de Gantt avec SJF est :
•
Temps d’attente P1 = 3, P2 = 16; P3 = 9 et P 4 = 0
•
Temps d’attente moyen est = (3 + 16 + 9 + 0) / 4 = 7
•
Par comparaison avec FCFS on obtient un temps d’attente = 10.25
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Travail le plus court d’abord (SJF)
• L’algorithme SJF est optimal :
– Il obtient le temps d’attente moyen minimal pour un ensemble
de processus donné
– En déplaçant un processus court avant un long, on diminue le
temps d’attente du processus court plus qu’on augmente le
temps d’attente du processus long.
• Cependant SJF a un défi majeur ! Lequel ?
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Travail le plus court d’abord (SJF)
• L’algorithme SJF est optimal :
– Il obtient le temps d’attente moyen minimal pour un ensemble
de processus donné
– En déplaçant un processus court avant un long, on diminue le
temps d’attente du processus court plus qu’on augmente le
temps d’attente du processus long.
• Cependant SJF a un défi majeur ! Lequel ?
• La difficulté réelle de SJF est de connaitre à l’avance la longueur du
prochain cycle CPU
• Solution : Technique de prédiction
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Travail le plus court d’abord (SJF)
• L’algorithme SJF peut être préemptif ou non préemptif
• Le choix survient quand un nouveau processus arrive dans la file des
processus prêts.
• Le prochain cycle de CPU du nouveau processus peut être plus court
que ce qu’il reste à exécuter du processus en cours d’exécution.
• Un algorithme SJF préemptif interrompt le processus en cours alors
qu’un algorithme SJF non préemptif le laisse compléter son cycle
CPU.
• Un algorithme SJF préemptif s’appelle aussi ordonnancement au
temps restant le plus court d’abord (shortest remaining time first)
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Travail le plus court d’abord (SJF)
•
On considère l’ensemble de processus suivant :
Processus
Temps d’arrivée
Cycle CPU
P1
0
8
P2
1
4
P3
2
9
P4
3
5
•
Le diagramme de Gantt avec SJF préemptif est comme suit :
•
Quel est le temps d’attente moyen des processus ?
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Travail le plus court d’abord (SJF)
•
On considère l’ensemble de processus suivant :
Processus
Temps d’arrivée
Cycle CPU
P1
0
8
P2
1
4
P3
2
9
P4
3
5
•
Le diagramme de Gantt avec SJF préemptif est comme suit :
•
Temps d’attente P1 = 10 -1, P2 = 0; P3 = 17-2 et P 4 = 5-3
•
Temps d’attente moyen est = [(10-1) + (1-1) + (17-2) + (5-3)] / 4 = 6.5
•
Exercice : Par comparaison avec un SJF non préemptif on obtient un temps d’attente = ?
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Travail le plus court d’abord (SJF)
•
On considère l’ensemble de processus suivant :
Processus
Temps d’arrivée
Cycle CPU
P1
0
8
P2
1
4
P3
2
9
P4
3
5
•
Le diagramme de Gantt avec SJF préemptif est comme suit :
•
Temps d’attente P1 = 10 -1, P2 = 0; P3 = 17-2 et P 4 = 5-3
•
Temps d’attente moyen est = [(10-1) + (1-1) + (17-2) + (5-3)] / 4 = 6.5
•
Par comparaison avec un SJF non préemptif on obtient un temps d’attente = 7.75
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Exercice 01
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Ordonnancement avec priorité
• L’algorithme SJF est un cas particulier d’un algorithme général
d’ordonnancement avec priorité
• Une priorité est associée avec chaque processus
• La CPU est allouée au processus ayant la plus haute priorité
• Les processus ayant une même priorité sont ordonnancés selon le
FCFS.
• Question : Quelle est la priorité dans le cas de SJF ?
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Ordonnancement avec priorité
•
•
On considère l’ensemble de processus suivants qui arrivent à l’instant 0
Les nombres les plus petits représentent les priorités les plus hautes
Processus
Cycle CPU
Priorité
P1
10
3
P2
1
1
P3
2
4
P4
1
5
P5
5
2
•
Le diagramme de Gantt avec un ordonnancement avec priorité est comme suit :
•
Temps d’attente moyen est = 8.2
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27
Ordonnancement avec priorité
• L’ordonnancement avec priorité peut être préemptif ou non
préemptif
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité préemptif
interrompt le processus courant
– si un processus arrive dans la file des processus prêt
– Et si le nouveau processus a une priorité plus haute que celle du processus en
cours.
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité non préemptif
– Dépose le nouveau processus en tête de la file des processus prêt
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité pose un problème
majeur. Lequel ?
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Ordonnancement avec priorité
• L’ordonnancement avec priorité peut être préemptif ou non préemptif
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité préemptif interrompt le
processus courant
– si un processus arrive dans la file des processus prêt
– Et si le nouveau processus a une priorité plus haute que celle du processus en
cours.
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité non préemptif
– Dépose le nouveau processus en tête de la file des processus prêt
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité pose un problème majeur
– Blocage infini ou famine (starvation)
– Peut laisser des processus à priorité basse en attente indéfinie
• Solution ?
LOG 710 Hiver2014
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Ordonnancement avec priorité
• L’ordonnancement avec priorité peut être préemptif ou non préemptif
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité préemptif interrompt le processus
courant
– si un processus arrive dans la file des processus prêt
– Et si le nouveau processus a une priorité plus haute que celle du processus en cours.
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité non préemptif
– Dépose le nouveau processus en tête de la file des processus prêt
• Un algorithme d’ordonnancement avec priorité pose un problème majeur
– Blocage infini ou famine (starvation)
– Peut laisser des processus à priorité basse en attente indéfinie
• Solution :
– Vieillissement (aging)
– Technique qui consiste à incrémenter graduellement la priorité des processus qui attendent
dans le système depuis une longue période.
LOG 710 Hiver2014
30
Ordonnancement à tourniquet (Round-Robin)
•
L’algorithme d’ordonnancement à tourniquet (Round-Robin : RR) est conçu spécialement
pour les systèmes à temps partagé
•
Similaire à FCFS mais avec réquisition de la CPU afin de passer d’un processus à un autre
•
On définit une petite unité de temps appelée quantum de temps (tranche)
•
La file des processus prêt est gérée comme une file circulaire
•
L’ordonnanceur se déplace dans la file en allouant la CPU au processus pour un intervalle
de temps maximal égale au quantum
•
Implémentation de RR:
– Varie entre 10 et 100 millisecondes
– La file des processus prêt est une FIFO circulaire
– Nouveau processus sont ajoutés à la fin de la file
– Ordonnanceur RR prend le premier processus dans la file, initialise un timer pour générer une
interruption après un quantum de temps et lance le processus
– Premier cas :
•
le processus a un cycle CPU inférieure au quantum : il va libérer lui-même la CPU et RR passe au processus suivant dans la
file des processus prêt
– Deuxième cas :
•
Le cycle CPU du processus est plus long que le quantum: le timer va générer une interruption; en traitant cette interruption,
l’OS va mette le processus en fin de la file et RR sélectionne le prochain processus
LOG 710 Hiver2014
31
Ordonnancement à tourniquet (Round-Robin)
• Le temps d’attente avec RR est souvent plus long
• On considère l’ensemble des processus suivants arrivant à l’instant 0 et un
quantum de temps q = 4
Processus
Cycle CPU
P1
24
P2
3
P3
3
• Le diagramme de Gantt pour l’ordonnancement RR avec q = 4 est comme suit :
• Temps d’attente moyen = 5.66
LOG 710 Hiver2014
32
Ordonnancement à tourniquet (Round-Robin)
•
La performance de RR dépends beaucoup de la taille du quantum de temps
•
Si on a un quantum de temps très grand : RR est similaire à FCFS
•
La commutation de contexte a aussi un impact sur la performance de RR
•
Exemple
Impact de la taille du Quantum de temps sur le nombre de commutation de contexte [1]
•
Le quantum de temps doit être plus grand que le temps nécessaire à une commutation de
contexte mais pas trop grand pour ne pas devenir un FCFS
LOG 710 Hiver2014
33
Exercice 02
LOG 710 Hiver2014
34
Ordonnancement utilisant des files multi-niveaux
•
Les processus peuvent être dans différentes catégories
–
–
–
Exemple: processus en avant-plan (interactifs) et processus en
arrière-plan (batch processes)
Des exigences différentes en temps de réponses
Besoins différents en ordonnancement
•
Avec un algorithme d’ordonnancement utilisant des files multiniveaux, la file des processus prêt est partitionnée en plusieurs
files d’attentes séparées
•
Chaque file a son propre algorithme d’ordonnancement
–
–
•
La file des processus en avant plan : – RR
La file des processus en arrière plan – FCFS
En plus, il y a un ordonnancement entre les files d’attentes
–
–
Typiquement : un ordonnancement préemptif avec priorités fixes;
(i.e., servir tous les processus en avant plan avant les processus en
arrière plan).
Files d’ordonnancement multi-niveaux [1]
Utiliser une tranche de temps : chaque file obtient une portion du
temps de la CPU; P.ex. 80% pour les processus en avant plan avec
RR et 20% pour les processus en arrière plan avec FCFS
LOG 710 Hiver2014
35
Ordonnancement utilisant des files multi-niveaux
•
Les processus peuvent être dans différentes catégories
–
–
–
Exemple: processus en avant-plan (interactifs) et processus en
arrière-plan (batch processes)
Des exigences différentes en temps de réponses
Besoins différents en ordonnancement
•
Avec un algorithme d’ordonnancement utilisant des files multiniveaux, la file des processus prêt est partitionnée en plusieurs
files d’attentes séparées
•
Chaque file a son propre algorithme d’ordonnancement
–
–
•
La file des processus en avant plan : – RR
La file des processus en arrière plan – FCFS
Files d’ordonnancement multi-niveaux [1]
En plus, il y a un ordonnancement entre les files d’attentes
–
Typiquement : un ordonnancement préemptif avec priorités fixes;
(i.e., servir tous les processus en avant plan avant les processus en
arrière plan).
–
Utiliser une tranche de temps : chaque file obtient une portion du
temps de la CPU; P.ex. 80% pour les processus en avant plan avec
RR et 20% pour les processus en arrière plan avec FCFS
LOG 710 Hiver2014
Files d’ordonnancement multi-niveaux
Figure modifée par Abdel 
36
Ordonnancement utilisant des files multi-niveaux avec retour
• Dans un algorithme d’ordonnancement à files multiniveaux
– Processus sont affectés d’une manière permanente à une file d’attente
particulière
– Les processus ne se déplacent pas entre les files
– Avantage : limiter le surcoût (overhead) d’ordonnancement
– Inconvénient : pas de flexibilité
• Ordonnancement utilisant des files multi-niveaux avec retour
– Un processus peut passer d’une file à une autre
• Principe :
– Séparer les processus selon les caractéristiques de leur cycles CPU
– Si un processus utilise trop le temps de CPU, il est déplacé vers une file de
priorité plus basse
• Résultat : Les processus tributaire d’E/S et interactifs demeurent dans les files de plus
haute priorité
– Un processus qui attend trop longtemps dans une file de priorité basse peut
être déplacé vers une file plus haute priorité
• Cette forme de vieillissement permet de combattre la famine (starvation)
LOG 710 Hiver2014
37
Ordonnancement utilisant des files multi-niveaux avec retour
•
Exemple : Ordonnancement utilisant trois (03) files multi-niveaux avec retour
•
Ordonnanceur exécutent tous les processus dans la file 0, ensuite (quand la
file 0 est vide) les processus de la file 1 et finalement la file 2
•
Un processus qui arrive dans la file i va interrompre un processus de la file
i+1
•
Un nouveau processus prêt est initialement mis dans la file 0
•
Un processus de la file 0 est donné un quantum de 8
•
–
S’il ne termine pas il est déplacé vers la file 1.
Quand la file 0 est vide, le processus en tête de la file 1 est donné un
quantum de 16
–
S’il ne termine pas il est déplacé vers la file 2
•
Les processus de la file 2 sont exécutés selon FCFS seulement quand la file 0
et 1 sont vides.
•
Cet ordonnancement favorise les processus ayant un cycle CPU de 8
ou moins. Les processus entre 8 et 16 sont servis aussi rapidement Files d’ordonnancement multiniveaux
mais avec moins de priorité. Les processus longs finissent par être
avec retour [1]
servis en FCFS avec moins de priorité
LOG 710 Hiver2014
38
Ordonnancement utilisant des files multi-niveaux avec retour
• En général, un ordonnancement avec files multiniveaux avec retour est défini par les paramètres
suivant :
– Nombre de files
– Algorithme d’ordonnancement pour chaque file
– Méthode utilisée pour déplacer un processus vers une
file de plus haute priorité
– Méthode utilisée pour déplacer un processus vers une
file de plus faible priorité
– Méthode utilisée pour déterminée la file initiale d’un
processus
• Un ordonnancement avec files multi-niveaux avec
retour est le plus général mais aussi le plus
complexe (il faut configurer ses paramètres)
LOG 710 Hiver2014
Files d’ordonnancement multiniveaux
avec retour [1]
39
Références
[1] SILBERSCHATZ, A. et P.B. GALVIN, Operating
System Concepts. 8th Edition, Addison Wesley.
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