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Scheduling

Prozess, wie das Betriebssystem die Ausführung von Aufgaben (Prozessen, Threads, ...) plant und verwaltet

• Hauptziel: Effiziente Nutzung der Systems
  • Erfüllung der Anforderungen des Systems und des Benutzers
• Kritisches Element im BS-Design
  • direkter Einfluss auf Leistung, Benutzererfahrung

Aufgaben eines Schedulers

• Prozessorzuweisung
  • welcher Prozess als nächstes?
• Prozessorwechsel
  • Wechsel von einem laufenden Prozess zu einem anderen
• Prioritätszuweisung
  • Bestimmt Priorität von Prozessen → wichtige Aufgaben werden bevorzugt behandelt
• Warteschlangenmanagement
  • Verwaltung der Warteschlangen mit Prozessen

Entscheidungsverfahren

• CPU-Auslastung
  • Maximierung der CPU-Auslastung
• Durchsatz
  • Anzahl abgeschlossene Aufgaben pro Zeit
• Wartezeit
  • Minimierung der Wartezeit der Prozesse in der Warteschlange
• Umlaufzeit
  • Gesamtzeit die ein Prozess benötigt um abgeschlossen zu werden
• Antwortzeit
  • Zeit zwischen der Anforderung eines Benutzers und der ersten Reaktion des Systems

Nicht präemptives Scheduling

• Art von Prozessorscheduling beo dem der laufende Prozess nicht unterbrochen werden kann
  • bis CPU-Zeitscheibe vollständig oder andere Blockierungsbedingung
• Eingesetz in
  • einfache Systeme, Batch-Verarbeitung-Umgebungen
    • Vorhersagbarkeit, einfache Implementierung wichtiger als schnelle Reaktion auf Benutzerinteraktion

Präemptives Scheduling

• Betriebssystemkern kann Kontrolle über CPU von einem laufenden Prozess übernehmen
  • kann anderem Prozess CPU-Zeit zuweisen, falls best. Bedingungen erfüllt

Prioritätengesteuertes Scheduling

• Ausführungsreihenfolge der Prozesse hängt von deren Priorität ab
  • Jeder Prozess kriegt bestimmte Prio
  • Scheduler nimmt Prozess mit höchster Prio
    • es gibt präemptive und nicht präemptive Ansätze
• Wird in Echtzeitsystemen und vielen anderen verwendet
  • wichtige oder zeitkritische Aufgaben werden bevorzugt behandelt

Zeitscheiben-Scheduling

• spezielle Form des präemptiven Schedulings
  • Jeder Prozess wird für eine festgelegte Zeitscheibe auf dem Prozessor ausgeführt
    • sobald abgelaufen → nächster Prozess
    • wiederholt sich zyklisch
• Wird verwendet in
  • Mehrbenutzersystemen

Weitere Scheduling-Strategien

• First Come First Served
• Shortest / Longest Process next
• Shortest / Longest Remaining Time next
• Highest Response Ratio next
• Earliest Deadline next
• Fair-Share-Scheduling
• Multilevel-Scheduling
• ...

Scheduling unter Linux

Completely Fair Scheduler (CFS)

• faire Verteilung der CPU-Ressourcen zwischen verschiedenen Prozessen oder Threads
• erstmals in Linux im Kernel 2.6.23
  • Bemühung bessere Leistung und Gerechtigkeit bei Verteilung von Ressourcen in Mehrbenutzersystemen
    • Implementierungen und genutzte Algorithmen können variieren

Grundprinzipien des CFS

• Fairness
  • jeder ausführbare Prozess sollte proportional zur Anzahl der CPU-Ressourcen, die er benötigt, bedient werden
• Keine festen Zeitscheiben
  • Ausführungszeit wird dynamisch an Prozesse angepasst
• Gewichtungen
  • Prozesse mit höherem "Gewicht" erhalten größere Zeiteinteilung an CPU
• Virtual Runtime
  • Gewicht und Ausführungszeit → vRuntime
    • Prozesse mit kürzerer vRuntime priorisiert
    • Entscheidungsstruktur: Rot-Schwarz-Baum
      • 

Beispiel Funktionsweise des CFS

• Neue Prozesse können während Latenz des Schedulers eingefügt werden
  • vruntime wird initialisiert mit minimaler Laufzeit (min_vruntime)der bereits vorhanden Tasks
  • weil jetzt ein zusätzlicher Task da ist, wird allen vorhandenen Tasks automatisch anteilig weniger Laufzeit zugeteilt
  • 

Manchmal möchte man die Priorität eines Prozesses verändern. Sie kann mit nice gesetzt werden
und mit renice angepasst werden

Jeder Prozess kann einen nice-Wert von -20 bis 19(20) haben. Standard ist 0

Berechnung der Gewichtung (CFS)

• 1024/1,25^niceWert
• Falls niceWert abnimmt, steigt Gewicht an
  • Zeitscheibe ist proportional zur Gewichtung dividiert durch Gesamtgewichtung aller Prozesse
    • 

Beispiel

• 131 Tasks (nice = 0) => Gewicht w = 1024

• 20 Tasks (nice = -20) => Gewicht w = 88817,84

• Alle Tasks mit nice=0 belegen ca. 7% der CPU

  • 1311024 / (1311024 + 20*88817,84) => ca. 7%
  • tun i.d.R nichts → genug runtime

• Alle Tasks mit nice=-20 belegen ca. 93% der CPU

niceWert

Befehle mit POSIX-API

• setpriority - niceLevel eines Prozesses setzen
• getpriority - niceLevel eines Prozesses lesen

Real-Time Scheduling

• zielt darauf ab, dass Prozesse oder Aufgaben spezifische zeitliche Anforderungen erfüllen

• Bsp.:

  • Dekodierung von Bildern eines Videostreams
    • 30 Bilder / Sekunde
      • Jedes Bild muss in 1/30s dekodiert und angezeigt werden

• in harten Echtzeitsystemen müssen Aufgaben ihre zeitlichen Anforderungen strikt und zuverlässig erfüllen

  • bspw. Flugzeug, medizinische Geräte, ...

• Scheduling-Algorithmen

  • Rate Monotonic Scheduling (RMS)
  • Earliest Deadline First (EDF)

• in weichen Echtzeitsystemen sind zeitliche Anforderung auch wichtig, aber Versäumnis ist nicht katastrophal

  • bspw. Multimediale Anwendungen, Spiele

• Scheduling-Algorithmen

  • Weighted Fair Queuing (WFQ)
  • Proportional Share Scheduling