Принципы планирования процессов

Принципы планирования процессов

Традиционные алгоритмы планирования UNIX обеспечивают возможность одновременного выполнения интерактивных и фоновых приложений. Таким образом, они хорошо подходят для систем общего назначения с несколькими подключенными пользователями, работающими с текстовыми и графическими редакторами, компилирующими программы и выполняющими вычислительные задачи. Эти алгоритмы обеспечивают малое время реакции для интерактивных приложений, следя в то же время, чтобы фоновым громоздким задачам справедливо предоставлялись ресурсы системы. Современные системы поддерживают выполнение задач реального времени, однако в данном разделе мы остановимся на планировании системы разделения времени.

Планирование процессов в UNIX основано на приоритете процесса. Планировщик всегда выбирает процесс с наивысшим приоритетом. Приоритет процесса не является фиксированным и динамически изменяется системой в зависимости от использования вычислительных ресурсов, времени ожидания запуска и текущего состояния процесса. Если процесс готов к запуску и имеет наивысший приоритет, планировщик приостановит выполнение текущего процесса (с более низким приоритетом), даже если последний не "выработал" свой временной квант.

Традиционно ядро UNIX является "непрерываемым" (nonpreemptive). Это означает, что процесс, находящийся в режиме ядра (в результате системного вызова или прерывания) и выполняющий системные инструкции, может быть прерван системой, а вычислительные ресурсы переданы другому, более высокоприоритетному процессу. В этом состоянии выполняющийся процесс может освободить процессор "по собственному в результате недоступности какого-либо ресурса перейдя в состояние сна. В противном случае система может прервать выполнение процесса только при переходе из режима ядра в режим задачи. Такой подход значительно упрощает решение задач синхронизации и поддержания целостности структур данных ядра.

Каждый процесс имеет два атрибута приоритета: текущий приоритет, на основании которого происходит планирование, и заказанный относительный приоритет, называемый nice number (или просто nice), который задается при порождении процесса и влияет на текущий приоритет.

Текущий приоритет варьируется в диапазоне от 0 (низкий приоритет) до 127 (наивысший приоритет). Процессы, выполняющиеся в режиме задачи, имеют более низкий приоритет, чем в режиме ядра. Для режима задачи приоритет меняется в диапазоне 0–65, для режима ядра — 66–95 (системный диапазон).

Процессы, приоритеты которых лежат в диапазоне 96–127, являются процессами с фиксированным приоритетом, не изменяемым операционной системой, и предназначены для поддержки приложений реального времени[35].

Процессу, ожидающему недоступного в данный момент ресурса, система определяет значение приоритета сна, выбираемое ядром из диапазона системных приоритетов и связанное с событием, вызвавшее это состояние. В табл. 3.3 приведены значения приоритетов сна для систем 4.3BSD UNIX и SCO UNIX (OpenServer 5.0). Заметим, что направление роста значений приоритета для этих систем различно — в BSD UNIX большему значению соответствует более низкий приоритет.

Таблица 3.3. Системные приоритеты сна

Когда процесс пробуждается, ядро устанавливает значение текущего приоритета процесса равным приоритету сна. Поскольку приоритет такого процесса находится в системном диапазоне и выше, чем приоритет режима задачи, вероятность предоставления процессу вычислительных ресурсов весьма велика. Такой подход позволяет, в частности, быстро завершить системный вызов, выполнение которого, в свою очередь, может блокировать некоторые системные ресурсы.

После завершения системного вызова перед возвращением в режим задачи ядро восстанавливает приоритет режима задачи, сохраненный перед выполнением системного вызова. Это может привести к понижению приоритета, что, в свою очередь, вызовет переключение контекста.

Текущий приоритет процесса в режиме задачи p_priuser зависит от двух факторов: значения nice number и степени использования вычислительных ресурсов p_cpu:

p_priuser = a*p_nice - b*p_cpu,

где p_nice — постоянная составляющая, зависящая от параметра nice.[36]

Задача планировщика разделения времени — справедливо распределить вычислительный ресурс между конкурирующими процессами. Для принятия решения о выборе следующего запускаемого процесса планировщику необходима информация об использовании процессора. Эта составляющая приоритета уменьшается обработчиком прерываний таймера каждый тик. Таким образом, пока процесс выполняется в режиме задачи, его текущий приоритет линейно уменьшается.

Каждую секунду ядро пересчитывает текущие приоритеты процессов, готовых к запуску (приоритеты которых меньше 65), последовательно увеличивая их.[37] Это перемещает процессы в более приоритетные очереди и повышает вероятность их последующего запуска.

Например, UNIX версии SVR3, использует следующую формулу:

p_cpu = p_cpu/2

Эта простая схема проявляет недостаток нивелирования приоритетов при повышении загрузки системы. Это происходит потому, что в этом случае каждый процесс получает незначительный объем вычислительных ресурсов и следовательно имеет малую составляющую p_cpu, которая еще более уменьшается благодаря формуле пересчета p_cpu. В результате степень использования процессора перестает оказывать заметное влияние на приоритет, и низкоприоритетные процессы (т.е. процессы с высоким nice number) практически "отлучаются" от вычислительных ресурсов системы.

В 4.3BSD UNIX для пересчета p_cpu используется другая формула:

p_cpu = p_cpu*(2*load)/(2*load+1)

Здесь параметр load равен среднему числу процессов, находившихся в очереди на выполнение за последнюю секунду, и характеризует среднюю загрузку системы за этот период времени. Этот алгоритм позволяет частично избавиться от недостатка планирования SVR3, поскольку при значительной загрузке системы уменьшение p_cpu при пересчете будет происходить медленнее.

Описанные алгоритмы планирования позволяют учесть интересы низкоприоритетных процессов, т.к. в результате длительного ожидания очереди на запуск приоритет таких процессов увеличивается, соответственно увеличивается и вероятность запуска. Представленные алгоритмы также обеспечивают более вероятный выбор планировщиком интерактивных процессов по отношению к вычислительным (фоновым). Такие задачи, как командный интерпретатор или редактор, большую часть времени проводят в ожидании ввода, имея, таким образом, высокий приоритет (приоритет сна). При наступлении ожидаемого события (например, пользователь осуществил ввод данных) им сразу же предоставляются вычислительные ресурсы. Фоновые процессы, потребляющие значительные ресурсы процессора, имеют высокую составляющую p_cpu и, как следствие, более низкий приоритет.

Как правило, очередь на выполнение не одна. Например, SCO UNIX имеет 127 очередей — по одной на каждый приоритет. BSD UNIX использует 32 очереди, каждая из которых обслуживает диапазон приоритетов, например 0–3, 4–7 и т.д. При выборе следующего процесса на выполнение из одной очереди, т. е. из нескольких процессов с одинаковым текущим приоритетом, используется механизм кругового чередования (round robin).[38] Этот механизм запускается ядром через каждый временной квант для наиболее приоритетной очереди. Однако если в системе появляется готовый к запуску процесс с более высоким приоритетом, чем текущий, он будет запущен, не дожидаясь прошествия временного кванта. С другой стороны, если все процессы, готовые к запуску, находятся в низкоприоритетных по отношению к текущему процессу очередях, последний будет продолжать выполняться и в течение следующего временного кванта.