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# Scheduling
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Prozess, wie das Betriebssystem die Ausführung von Aufgaben (Prozessen, Threads, ...) plant und verwaltet
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- Hauptziel: Effiziente Nutzung der Systems
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- Erfüllung der Anforderungen des Systems und des Benutzers
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- Kritisches Element im BS-Design
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- direkter Einfluss auf Leistung, Benutzererfahrung
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## Aufgaben eines Schedulers
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- **Prozessorzuweisung**
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- welcher Prozess als nächstes?
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- **Prozessorwechsel**
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- Wechsel von einem laufenden Prozess zu einem anderen
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- **Prioritätszuweisung**
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- Bestimmt Priorität von Prozessen → wichtige Aufgaben werden bevorzugt behandelt
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- **Warteschlangenmanagement**
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- Verwaltung der Warteschlangen mit Prozessen
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## Entscheidungsverfahren
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- **CPU-Auslastung**
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- Maximierung der CPU-Auslastung
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- **Durchsatz**
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- Anzahl abgeschlossene Aufgaben pro Zeit
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- **Wartezeit**
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- Minimierung der Wartezeit der Prozesse in der Warteschlange
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- **Umlaufzeit**
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- Gesamtzeit die ein Prozess benötigt um abgeschlossen zu werden
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- **Antwortzeit**
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- Zeit zwischen der Anforderung eines Benutzers und der ersten Reaktion des Systems
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## Nicht präemptives Scheduling
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- Art von Prozessorscheduling beo dem der laufende Prozess nicht unterbrochen werden kann
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- bis CPU-Zeitscheibe vollständig oder andere Blockierungsbedingung
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- Eingesetz in
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- einfache Systeme, Batch-Verarbeitung-Umgebungen
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- Vorhersagbarkeit, einfache Implementierung wichtiger als schnelle Reaktion auf Benutzerinteraktion
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## Präemptives Scheduling
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- Betriebssystemkern kann Kontrolle über CPU von einem laufenden Prozess übernehmen
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- kann anderem Prozess CPU-Zeit zuweisen, _falls best. Bedingungen erfüllt_
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## Prioritätengesteuertes Scheduling
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- Ausführungsreihenfolge der Prozesse hängt von deren Priorität ab
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- Jeder Prozess kriegt bestimmte Prio
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- Scheduler nimmt Prozess mit höchster Prio
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- es gibt präemptive und nicht präemptive Ansätze
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- Wird in Echtzeitsystemen und vielen anderen verwendet
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- wichtige oder zeitkritische Aufgaben werden bevorzugt behandelt
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## Zeitscheiben-Scheduling
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- spezielle Form des [präemptiven Schedulings](#pr-emptives-scheduling)
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- Jeder Prozess wird für eine festgelegte Zeitscheibe auf dem Prozessor ausgeführt
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- sobald abgelaufen → nächster Prozess
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- wiederholt sich zyklisch
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- Wird verwendet in
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- _Mehrbenutzersystemen_
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## Weitere Scheduling-Strategien
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- First Come First Served
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- Shortest / Longest Process next
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- Shortest / Longest Remaining Time next
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- Highest Response Ratio next
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- Earliest Deadline next
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- [Fair-Share-Scheduling](#scheduling-unter-linux)
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- Multilevel-Scheduling
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- ...
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## Scheduling unter Linux
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[](https://www.youtube.com/watch?v=2UYuWWX3SMc)
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### Completely Fair Scheduler (CFS)
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- faire Verteilung der CPU-Ressourcen zwischen verschiedenen Prozessen oder Threads
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- erstmals in Linux im Kernel 2.6.23
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- Bemühung **bessere Leistung** und **Gerechtigkeit** bei Verteilung von Ressourcen in Mehrbenutzersystemen
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- Implementierungen und genutzte Algorithmen können variieren
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### Grundprinzipien des CFS
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- **Fairness**
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- jeder ausführbare Prozess sollte proportional zur Anzahl der CPU-Ressourcen, die er benötigt, bedient werden
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- **Keine festen Zeitscheiben**
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- Ausführungszeit wird dynamisch an Prozesse angepasst
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- **Gewichtungen**
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- Prozesse mit höherem "Gewicht" erhalten größere Zeiteinteilung an CPU
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- **Virtual Runtime**
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- Gewicht und Ausführungszeit → vRuntime
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- Prozesse mit kürzerer vRuntime priorisiert
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- Entscheidungsstruktur: [Rot-Schwarz-Baum](https://de.wikipedia.org/wiki/Rot-Schwarz-Baum)
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### Beispiel Funktionsweise des CFS
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- Neue Prozesse können während Latenz des Schedulers eingefügt werden
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- **vruntime** wird initialisiert mit minimaler Laufzeit (**min_vruntime**)der bereits vorhanden Tasks
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- weil jetzt ein zusätzlicher Task da ist, wird allen vorhandenen Tasks automatisch anteilig weniger Laufzeit zugeteilt
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> Manchmal möchte man die Priorität eines Prozesses verändern. Sie kann mit **nice** gesetzt werden
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> und mit **renice** angepasst werden
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>
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> Jeder Prozess kann einen [nice-Wert](#nicewert) von -20 bis 19(20) haben. Standard ist 0
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### Berechnung der Gewichtung (CFS)
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- **1024/1,25<sup>[niceWert](#nicewert)</sup>**
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- Falls [niceWert](#nicewert) abnimmt, steigt Gewicht an
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- Zeitscheibe ist proportional zur Gewichtung dividiert durch Gesamtgewichtung aller Prozesse
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#### Beispiel
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- 131 Tasks (nice = 0) → Gewicht w = 1024
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- 20 Tasks (nice = -20) → Gewicht w = 88817,84
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- Alle Tasks mit nice=0 belegen ca. 7% der CPU
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- $131*1024 / (131*1024 + 20*88817,84) → ca. 7%$
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- tun i.d.R nichts → genug runtime
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- Alle Tasks mit $nice = -20$ belegen ca. 93% der CPU
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### niceWert
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Befehle mit [POSIX-API](06_prozessstruktur.md#posix-api)
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- **setpriority** - niceLevel eines Prozesses setzen
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- **getpriority** - niceLevel eines Prozesses lesen
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## Real-Time Scheduling
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- zielt darauf ab, dass Prozesse oder Aufgaben spezifische zeitliche Anforderungen erfüllen
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- Bsp.:
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- Dekodierung von Bildern eines Videostreams
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- 30 Bilder / Sekunde
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- Jedes Bild muss in 1/30s dekodiert und angezeigt werden
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- in **harten Echtzeitsystemen** müssen Aufgaben ihre zeitlichen Anforderungen strikt und zuverlässig erfüllen
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- bspw. Flugzeug, medizinische Geräte, ...
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- _Scheduling-Algorithmen_
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- Rate Monotonic Scheduling (RMS)
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- Earliest Deadline First (EDF)
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- in **weichen Echtzeitsystemen** sind zeitliche Anforderung auch wichtig, aber Versäumnis ist nicht katastrophal
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- bspw. Multimediale Anwendungen, Spiele
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- _Scheduling-Algorithmen_
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- Weighted Fair Queuing (WFQ)
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- Proportional Share Scheduling |