Ordonnancement. Semestre Licence miage Université Lille 1 Pour toutes remarques :

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1 V-2 ( ) Licence miage Université Lille 1 Pour toutes remarques : Semestre

2 Quelques faits motivant la notion Sur une machine, il y a plus de processus que de processeurs pour les exécuter. Les processus passent leur vie à attendre : l accès au processeur ; le résultat d une entrée-sortie : utilisation d un fichier ; utilisation de la mémoire ; connexions réseaux ; clavier, écran, son, etc. Exemple : il est difficile de frapper plus de 10 touches par seconde alors que la vitesse de traitement du processeur est de l ordre de 10ms Chaque fois qu un processus doit attendre, un autre pourrait utiliser le processeur pour poursuivre sa propre activité. Solution : l allocation du processeur est réalisée par multiplexage i.e. allocation successive pendant une tranche de temps fixée.

3 Les interruptions Les interruptions constituent un mécanisme par lequel les modules (E/S, mémoire, processus) peuvent interrompre le traitement normal du processeur. Il existe différents types d interruptions : logiciel : division par zéro, référence mémoire en dehors de l espace autorisé au processus, dépassement de capacité (pile), appel système ; temporisateur : le processeur permet à l os d effectuer régulièrement certaines fonctions (ordonnancement, mise à jours) ; E/S : signale l achèvement normal d une opération ou une erreur ; défaillance matérielle : coupure d alimentation, erreur de parité mémoire.

4 Gestion des interruptions Les processus ne disposent pas d instructions permettant de gérer les interruptions : c est le travail de l os. Il existe un contrôleur d interruption qui peut : masquer certaines interruptions dans des phases critiques du fonctionnement de l unité centrale ; hiérarchiser les interruptions lorsque plusieurs d entre elles interviennent en même temps (même modèle que l ordonnancement). Mais un il faut être rapide : une partie de la gestion est implantée directement dans le silicium sous forme d une table.

5 Table d interruption du pentium Il y a 256 interruptions dans la table du pentium 0 erreur de division 12 faute de pile 1 exception de déverminage 13 protection générale 2 interruption nulle 14 défaut de page 3 arrêt 15 réservé par INTEL 4 dépassement interne détecté 16 erreur virgule flottante 5 dépassement de limite 17 contrôle d alignement 6 opération code invalide 18 contrôle machine 7 périphérique indisponible réservé INTEL 8 faute sur type double interruptions 9 dépassement de segment coprocesseur masquables 10 segment d état de tâche invalide 11 segment non présent

6 Les différents états d un processus elu exit zombie slepp eligible wake-up bloque assez de memoire fork Processus swap sur le disque swap sur le disque pas assez de memeoire eligible swap wake-up bloque swap

7 V31 ( ) Différents types Il existe plusieurs types : À long terme : choix concernant la réserve de processus à exécuter. À moyen terme : choix concernant le nombre de processus en mémoire. À court terme : choix concernant le processus exécuté par le processeur. L ordonnancement d entrée sortie : quelle requête sera exécuté. Contexte d un processus : il s agit l ensemble des informations dynamiques associées au processus : identificateur (uid, pid), information d E/S (fichiers ouverts) ; état du processus (prêt, swappé, élu, bloqué, zombie, etc.) ; priorité, statistique (quantité de temps processeur, écoulé, etc.) ; données contextuelles : état des registre, adresse de la prochaine instruction à effectuer ; adresse de début et de fin du processus en mémoire.

8 Mécanisme d allocation du processeur Ce que fait l os lors de la commutation de processus : 1. Il détermine le prochain processus élu à partir de critères variables (cf. la suite). 2. Il réalise la commutation en 2 étapes : 2.1 Sauvegarde du contexte du processus actuellement exécuté par le processeur (contenu des registres, etc.) afin de disposer de ces informations pour les prochaines manipulations du processus. 2.2 Restaurer le contexte du prochain processus destiné à occuper le processeur en restaurant les segments de mémoires ; changeant l état du processus ; chargeant les registres du processeur à partir du contexte.

9 Traitement des processus par lot (batch) Les processus accèdent au processeur, chacun à leur tour, dans l ordre d arrivée, et monopolisent le processeur jusqu à leur terminaison. Il s agit d une méthode non-préemptive, c est-à-dire qu un processus monopolise le processeur jusqu à sa terminaison. C est un algorithme FIFO. Inconvénients : les travaux courts sont pénalisés ; le temps de réponse est fonction de la charge du système ; la stratégie est indépendante du temps d exécution des processus. Raffinement : une amélioration de la stratégie FIFO est d ordonner la file en fonction du temps estimé d exécution des processus. Dans ce cas, le temps de réponse des travaux courts est diminué, et celui des travaux long est augmenté. La préemption est la possibilité qu a le système de reprendre une ressource à un processus sans que celui-ci ait libéré cette ressource.

10 Le traitement par lot est hérité de l histoire Dans les temps anciens, le traitement d un travail était acceptable car dans les premiers traitements par lot, un opérateur humain : lisaient un travail sur des cartes perforées, l exécutaient sur le processeur et l imprimaient sur une imprimante. Ces tâches étaient faîtes sur des machines différentes en parallèle. Matériel travail i travail i + 1 Lecteurs de cartes actif inactif inactif actif inactif inactif Unités centrale inactif actif inactif inactif actif inactif Imprimantes inactif inactif actif inactif inactif actif Lorsque la même machine fait ces trois traitements, pas de paralellisme possible. Jusqu à Windows 95, Microsoft ne faisaient que du non-préemptif.

11 Méthode du tourniquet (Round Robin) Les processus accèdent au processeur, chacun à leur tour, pour un temps maximal déterminé à l avance (le quantum noté q). Un processus en attente d une entrée-sortie sera placé dans une file des processus bloqués. Supposons qu il y ait n processus. Cette méthode est préemptive : un processus se retire au bout d un quantum. Un processus obtient l unité centrale au bout de (n 1)q.

12 Différents critères Détermination empirique du quantum : on fixe le quantum de manière à ce que 80% des processus finissent en un quantum. Quelques critères de bon ordonnancement : 1. Utilisation de l unité centrale 40%. 2. Débit : nb de processus terminé/unité de temps. 3. Le temps de rotation : temps entre la soumission du processus et son achèvement ; Somme des périodes passées en attente de chargement mémoire + attente étant prêt + exécution + entrée sortie. 4. Temps d attente (moyen) : temps (moyen) passé en attente étant prêt. 5. Temps de réponse (moyen) : temps (moyen) entre la soumission et le début d exécution.

13 Diagramme de Gantt Afin de présenter l action de l ordonnanceur, on utilise des diagrammes de Gantt. Supposons que deux processus P 0 et P 1 soient soumis à l ordonnanceur et que leurs temps d exécution soit de 7 et 3 cycles. Le diagrammes de Gantt correspondant à un ordonnancement possible est : P 0 Ord P 1 Ord P Figure: Exemple de diagrammes de Gantt Le temps d attente de P 1 est de 8, celui de P 0 est de 0, donc le temps d attente moyen est de 4. Si on exécute P 1 avant P 0, le temps d attente moyen est de 3.

14 Organisation de la file d attente Il existe plusieurs méthodes pour organiser la file d attente dans un tourniquet : premier arrivé, premier servit (FIFO) ; plus court d abord (SJF i.e. Shortest Job First) ; associer une priorité à chaque processus (ordonnancement de la file par cette priorité) ; privation des travaux longs. Le quantum peut être calculé empiriquement par tâtonnements : si le quantum est très grand, on obtient une file d attente simple ; si le quantum est très petit, les processus n auront pas le temps d être exécuté en partie avant d être réinsérés dans la file.

15 Remarques sur les différentes méthodes La méthode FIFO donne des temps d attente moyen long. La méthode du plus court d abord réduit le temps d attente moyen mais : comment connaître la longueur de la prochaine requête de l UC : impossible sans intervention humaine? solution : estimer la durée de vie en fonction des appels précédents par une formule du type : τ n+1 = αt n + (1 α)τ n avec t n le temps d exécution réel et τ n le temps estimé. (Si α = 0 l histoire récente n a pas d effet.) On peut faire une suite récurrente d ordre plus élevé.

16 avec priorité Une priorité est associée à chaque processus et l unité centrale est allouée au processus de priorité la plus haute. Mais cette technique peut avoir des effets pervers. Problème de la famine : les priorités basses restent en attente : peuvent être lancé à 2 heures du matin, un dimanche. C est le bon scénario mais en 1975 un IBM a été arrêté avec des jobs datant de Comment éviter la famine? Vieillissement : Cette solution consiste a augmenter graduellement la priorité des processus au cours du temps. Exemple UNIX : cette famille d os organise les priorités : de [0..50] pour le mode noyau ; de [ ] pour le mode utilisateur.

17 V31 ( ) Différente classe de priorité Plus précisément, on a : PSWAP 0 priorité en cours de swap PINOD 10 priorité en attendant une lecture d information sur le système de fichiers PRIBIO 20 priorité en attente d une lecture/écriture sur disque PZERO 25 priorité limite PWAIT 30 priorité d attente de base PLOCK 35 priorité d attente sur un verrou PSLEP 40 priorité d attente d un événement PUSER 50 priorité de base en mode utilisateur Le choix de la priorité est fondamental pour la performances du système. Pour fixer cette priorité, on demande à l utilisateur lors du lancement du processus ; puis l os fait évoluer cette priorité : priorité demandée à l utilisateur (p nice) : [-20] haut, [0] normal, [+20] ralenti, fixé par la commande nice. priorité gérée par le noyau (p cpu) : indicateur d utilisation de l unité centrale.

18 V31 ( ) Le calcul de la priorité se fait en cours d exécution : 1. À chaque quantum : p cpu = p cpu Tous les 4 quantums : p cpu p usrpri = PUSER + + 2p nice PUSER 50 4 Ceci donne une priorité qui augmente linéairement en fonction de l utilisation de l unité centrale. Donc, le processus devient inexorablement prioritaire. 3. À chaque seconde (très long intervalle pour un cpu) on vieillit le processus : p cpu = 2n p cpu + p nice 2n + 1 avec n la longueur moyenne de la file des processus prêts échantillonnée sur 1 minutes. 4. Pour ne pas gaspiller de ressources, les processus en sommeil voient leur p cpu recalculé à la fin de leur période de sommeil : p cpu = ( ) sleep time 2n p cpu + p nice 2n + 1 La variable sleep time initialisée à zéro est incrémentée lors de la période de sommeil.

19 Méthode du tourniquet multiniveaux Avant d accéder au processeur, les processus sont rangés dans les files correspondant à leurs niveaux de priorité. Un processus ne peut accéder au processeur que s il n existe plus de processus dans les files de plus haute priorité. Amélioration : un processus peut être rangé (swapped) sur disque s il reste trop longtemps dans la file des processusbloqués.

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