viernes, 15 de septiembre de 2017

Algoritmos de planificación

Cuando tenemos más de un proceso en condiciones de ejecutar CPU, debemos escoger uno de entre ellos. Para escogerlo se emplean los Algoritmos de planificación.

Una de las técnicas que emplean es el uso de prioridades. En este caso a cada proceso se le asigna una prioridad y los procesos de mayor prioridad tendrán preferencia sobre los de menos. La prioridad de un proceso se puede modificar a lo largo de su vida, para evitar que un proceso de baja prioridad nunca llegue a ejecutarse debido a que los de alta prioridad monopolizan el procesador.
Otra técnica es la expropiación. Un algoritmo es expropiativo si podemos retirar un proceso que se está ejecutando para introducir otro nuevo.
Para estudiar la bondad de un algoritmo de planificación se suelen estudiar algunos parámetros: 
  • Tiempo de espera: Tiempo que el proceso está parado o en espera desde que se lanza hasta que finaliza su ejecución. 
  • Tiempo de retorno: Tiempo que transcurre desde que el proceso se lanza hasta que finaliza su ejecución. Se puede ver como la suma del tiempo de espera más el tiempo de ejecución. 
  • Tiempo de respuesta: Tiempo que pasa desde que se manda ejecutar un proceso hasta que se ejecuta por primera vez. 
  • Productividad: Número de trabajos realizados por unidad de tiempo. 
  • Uso de CPU: Porcentaje de tiempo que el procesador pasa ejecutando procesos.
Pasamos a explicar los diferentes algoritmos desarrollando un ejemplo sobre la siguiente tabla de procesos que representa los instantes de llegada de cada proceso y también los tiempos de ejecución respectivamente. 
  
Tabla de procesos
 
FCFS (Fifo)

First Come, First Served o lo que es lo mismo el primero que llega es el primero en ser atendido. Podemos decir que no es expropiativo y no emplea prioridades. Es un algoritmo muy sencillo de implementar, basta con emplear una cola FIFO, pero corre el peligro de que un proceso muy largo monopolice la CPU durante mucho tiempo generando tiempos de espera mayores de los que serían deseables. 

FCFS (FIFO)
  
Round-Robin

También conocido como RR, Carrousel o planificación por rondas. Se reparte el tiempo de CPU en quantums o rodajas. El funcionamiento es dar una rodaja a cada proceso de forma secuencial. La selección de entre los procesos activos se gestiona según una cola FIFO o lo que es lo mismo se elije el que más tiempo lleve esperando. Si un proceso termina su rodaja en el mismo instante que llega un proceso nuevo, este último recibe inmediatamente una rodaja de CPU, mientras que el primero pasa a cola de espera. Como se puede deducir, este algoritmo es expropiativo, en el sentido de que un proceso que está en ejecución se expulsa sin haber terminado para que otro ejecute procesador.  
     
RR Q=3
RR Q=2
RR Q=1
      
SJF (Short Job First)

Son las siglas de Short Job First, es decir el trabajo más corto primero. En este caso se seleccionará el proceso que requiera menor tiempo de ejecución (si dos tienen el mismo tiempo se decide por FIFO). El problema puede aparecer con procesos muy largos que están siempre bloqueados por procesos más cortos. Este algoritmo puede ser expropiativo o no. En la variante expropiativa denominada SRTN (Shortest Remainig Time Next) medimos el tiempo restante que le queda a cada proceso.

SJF
 
SRTN (Short Remaining Time Next)

Es la variedad expropiativa de SJF. Eso significa que el proceso con menor tiempo para acabar es el siguiente proceso en ejecutarse expropiando la CPU inmediatamente al proceso que este en ejecución en el instante correspondiente. El problema vendría en el caso que tengamos un proceso que requiera un tiempo de ejecución para finalizar igual que un proceso nuevo que entra. Existen dos soluciones, dar prioridad a los procesos nuevos sobre los procesos en ejecución o dar prioridad a los procesos en ejecución sobre los procesos nuevos.
Prioridad procesos en ejecución
   
Prioridad procesos Nuevos
 
Planificación por Por Prioridades
  
En este tipo de algoritmos el proceso de mayor prioridad es el que se ejecuta. En un escenario con prioridades estáticas los procesos con menor prioridad podrían no llegar a ejecutarse, por ejemplo porque entren continuamente procesos de mayor prioridad. Para solucionar este problema se introduce el concepto de prioridad dinámica que consiste en modificar la prioridad inicial de los procesos a medida que transcurre el tiempo y se suele hacer atendiendo a  diferentes criterios: 
  • Categoría del usuario. 
  • Tipo de proceso. 
  • Ocupación de CPU de los procesos.
Hay que tener en cuenta además, como en otro tipo de algoritmos, que la Prioridad puede ser Apropiativa o No Apropiativa (apropiativo, expulsivo o expropiativo son para nosotros lo mismo) y que en caso de conflicto, es decir encontrarnos con varios procesos con la misma prioridad, el problema nos debería indicar como resolverlo (sino dice nada el asunto se suele zanjar con FIFO).
Ejemplo de prioridades estáticas no apropiativas y apropiativas
  
Tabla de procesos (una columna de prioridades)
  
No apropiativas
Apropiativas
 
Planificación por múltiples colas

Se usan diferentes colas, donde cada cola puede tener diferentes algoritmos de planificación y también se pueden clasificar los procesos. Se trata de repartir el tiempo de la CPU entra las diferentes colas según la carga que tenga cada una. Otra idea útil es migrar los procesos de una cola a otra cuando la situación lo requiera. Este algoritmo es uno de los más completos, pero también es de los más difíciles de implementar.

Planificación por varios niveles

Hasta ahora se ha supuesto que todos los procesos están en memoria, pero qué pasa cuando hay muchos procesos, o poca memoria y no podemos almacenarlos todos allí. Una de las soluciones más elegantes consiste en establecer dos niveles, uno para planificar a largo plazo, donde se situan los procesos que no están en memoria y otro nivel a corto plazo donde se ponen los procesos que están en memoria. 
 
Ejercicio 1 resuelto (colas multinivel)

Cierto SO posee un algoritmo de planificación de CPU basado en 3 colas multinivel realimentadas. La forma en la que los trabajos se alojan en cada una de las colas es la siguiente:  
Todos los trabajos, cuando llegan al sistema, son colocados en la COLA1, la cual se planifica de acuerdo con un algoritmo RR con cuanto=2ms. En esta cola un trabajo permanecerá si después de ejecutar su primera ráfaga de CPU, le quedan por ejecutar ráfagas inferiores a 5 ms. En caso contrario pasará a la COLA2 ó a la COLA3.  
  • A la COLA2 en caso de que le quede por ejecutar ráfagas mayores o igual a 5 ms. Esta cola se planifica por RR con cuanto=3ms. Los trabajos en esta cola permanecerán hasta terminar su ejecución.
     
     
  • A la COLA3 en caso de que le quede por ejecutar ráfagas mayores o igual a 8 ms. Esta cola se planifica por SJF. Los trabajos en esta cola permanecerán hasta terminar su ejecución.
Sabiendo que la Cola 1 es la de mayor prioridad y la Cola 3 la de prioridad inferior, se desea para el siguiente conjunto de trabajos: 
  
Tabla de Procesos
   
Dibujar la planificación de los trabajos en cada una de las colas y el orden en que se van ejecutando en la CPU. Calcular tiempo de espera y de estancia de cada trabajo y tiempos medios de retorno y de espera del sistema.

Colas Multinivel
     
 

Ejercicio-2 propuesto (variante con E/S)

Cierto SO posee un algoritmo de planificación de CPU basado en 3 colas multinivel realimentadas. La forma en la que los trabajos se alojan en cada una de las colas es la siguiente: 
  • Todos los trabajos, cuando llegan al sistema, son colocados en COLA1 que se planifica por RR con cuanto=2ms. En esta cola los trabajos permanecerán si después de ejecutar su primera ráfaga de CPU, le quedan por ejecutar ráfagas inferiores a 5 ms. En caso contrario pasaría a la COLA2 ó a la COLA3.
  • A la COLA2 en caso de que le quede por ejecutar una ráfaga mayor o igual a 5 ms. Esta cola se planifica por RR con cuanto=3ms.
  • A la COLA3, en caso de que le quede por ejecutar una ráfaga mayor o igual a 8 ms. Esta cola se planifica según SJF.
  
 

Acceso E/S representa los instantes de tiempo en que el proceso debería acceder al dispositivo de E/S, Bloqueo representa el tiempo que el proceso tiene que bloquear dicho dispositivo. Las solicitudes de E/S se gestionan por medio de una cola FIFO. 
Sabiendo que la Cola1 es la de mayor prioridad calcular para la tabla de trabajos anterior la planificación, el tiempo medio de espera y el tiempo medio de respuesta.

Ejercicio-3 propuesto

Un SO planifica su CPU por medio de una cola multinivel con 2 niveles. El nivel 1 se planifica por SRTN. El nivel 2 a través de FCFS. La CPU ejecuta procesos de cada nivel, cada 100ms pero atendiendo a la siguiente restricción: Si un proceso finaliza o realiza una operación de E/S sin haber consumido los 100ms la CPU cambia inmediatamente de nivel y se le vuelven a asignar al nuevo nivel 100ms. Las operaciones de E/S se planifican según una cola FIFO. Teniendo en cuenta estas características se pide:
 
Representar una tabla que implemente las ejecuciones, las esperas, las operaciones de E/S y los bloqueos de los procesos.  Calcula también el tiempo de retorno medio de los procesos.


 

Consideraciones Finales
 
RR
 
  • Es adecuado para implementar tiempo compartido.
  • Se comporta como FCFS pero cada proceso dispone de un cuanto de tiempo máximo.
  • Si el cuanto es muy grande (más grande que el mayor tiempo de CPU de los procesos), RR se convierte en FCFS ya que los procesos terminan sus ráfagas de CPU antes de que termine el cuanto.
  • Si el cuanto es muy pequeño se provocarían constantemente cambios de contexto, disminuyendo el rendimiento.
FCFS
 
  • Tiene tiempos de espera bastantes largos.
SJF
 
  • Se minimiza el tiempo de espera medio.
  • Los procesos de larga duración sufren riesgo de inanición.
  • SJF es un caso especial de planificación por prioridad.
  • SJF dispone de su versión expulsiva.
 
Prioridades
 
  • Los procesos de prioridad más baja tienen riesgo de inanición que podría ser solventado aumentando de forma progresiva la prioridad de los procesos en espera (prioridades dinámicas).
  • La política de prioridades puede ser o no expulsiva.