Scheduling Kapitel

Betriebssysteme.md

@@ -172,7 +172,7 @@ Buchführung über sämtliche zum management notwendigen Informationen
 a. Prozessdeskriptor (process control block ~ PCB)
 b. Prozessdeskriptortabelle: Deskriptioren sämtlicher Prozesse
 
-| Prozessormanagement | |
+| Prozessormanagement (Prozessdeskriptor) | |
 | Identifikation | eindeutige Prozessbezeichnung; einordnung in Abstammungshierarchie |
 | Scheduling | Informationen für Schedulingalgorithmen |
 | Prozessorkontext | gesichert bei Verdrängung des Prozesses, restauriert bei Reaktivierung |
@@ -252,7 +252,7 @@ Implementierungsebenen
 | | Individualität: anwendungsindividuelle Thread Schedulingstrategien möglich | 
 | | Portabilität | 
 
-es gibt Work-Arounds: alle gefählrichen Systemaufrufe einpacken (in Pakete)
+es gibt Work-Arounds: alle gefährlichen Systemaufrufe einpacken (in Pakete)
 
 Wahl zwischen ULT- und KLT hängt ab von:
 1. Vorraussetzung: Prozessmodell des Betriebssystems Multithread Modell?
@@ -273,6 +273,13 @@ Threads können
 - kurzfristig warten (Bsp. benötigt keinen Prozesoor aber Arbeitsspeicher)
 - langfristig warten (Bsp. benötigt länger keinen Prozessor/Arbeitsspeicher)
 
+Threadzustände im 3/5-Zustandsmodell
+- bereit: kann aktiv werden, sobald Prozessor frei wird
+- aktiv: besitzt einen Prozessor, arbeitet
+- blockiert: wartet auf Ereignis (Timer Ablauf,...)
+- frisch: erzeugt, Betriebsmittel/Rechte zum Ablauf fehlen noch
+- beendet: Betriebsmittel in der Freigabephase
+
 Folge: effizientes Ressourcenmanagement benötigt präzise Informationen über Threadzustände.
 
 ## Aufgabe der Zustandsmodelle
@@ -288,3 +295,214 @@ Nutzung
 Beschreibungsmittel: endliche deterministische Automaten
 - Menge der annehmbaren Zustände ist endlich
 - Folgezustand ist immer eindeutig bestimmt
+
+## Scheduleraktivierung
+Wann wird die letzte Scheduling-Entscheidung überprüft?
+1. Prozess/Thread erzeugung (neuer, rechenbereiter Thread)
+2. Threadterminierung, Threadblockierung (ein Prozessor wird frei)
+3. Ereigniseintritt (Thread wird rechenbereit)
+4. Wechsel von Prioritäten (in prioritätenbastierten Schedulingalgorithmen)
+5. periodisch (in zeitscheibenbasierten Schedulingalgorithmen)
+
+Ein Kontextwechsel umfasst:
+- bei Wechsel zwischen Threads desselben Prozesses
+  - Stackkontext
+  - Prozessorregister
+  - floating point unit (hohe Kosten)
+- zusätzlicher Wechsel zwischen Threads verschiedener Prozesse
+  - Speicherlayout (sehr hohe Kosten)
+- starke Auswirkungen auf
+  - Gesamtperformanz
+  - Reaktivität
+  - Echtzeiteigenschaften
+
+Kostenfaktor FPU
+- Kopieren des FPU-Kontexts: sehr viele Register (sofortkosten)
+  - Realisierung: "faul"
+  - Hardware hilft: FPU Protextion
+- Auswirkung
+  - nur ein THread benutzt FPU: tatsächliches Sichern erfolgt nie
+  - wenige Threads benutzen FPU: tatsächliches Sichern minimiert
+
+## Scheduling Strategien
+Strategische Ziele
+- abhängig vom Einsatzfeld eines Betriebssystems
+  - Echtzeitsysteme: Einhaltung von Fristen
+  - interaktive Systeme: Reaktivität
+  - Serversysteme: Reaktivität, E/A-Performanz
+  - Batch-Verarbeitungssysteme: Durchsatz
+- ergänzt durch allgemeine Ziele
+  - Fairness: Threads bekommen einen fairen Anteil an Rechenzeit
+  - Lastbalancierung: alle Systemkomponenten (CPUs, Speicher, E/A-Peripherie) sind gleichmäßig ausgelastet
+  - Overhead: z.B. wenig Prozesswechsel
+- Ausbalancierung mehrerer Ziele
+  - multikriterielle Optimierungsaufgabe, i.d.R. NP-vollständig
+  - heuristische Scheduling-Algorithmen
+
+Typische Muster aktiver Threadphasen:
+- CPU lastig (mathematische Berechnung, Verschlüsselung,...)
+- E/A lastig (interaktiver Prozess, ...)
+- periodische Last (Echtzeitvideoverarbeitung, ...)
+- chaotische Last (server mit inhomogenen Diensten)
+
+Differenzierte Scheduling-Strategien
+- nutzen Wissen über Lastmuster zur Optimierung, z.B.
+  1. Einhaltung von Fristen
+  2. Minimierung der Thread/Prozesswechsel
+
+### Batch-System („Stapelverarbeitungs“-System)
+- Aufträge: in Gruppen („Stapel“) eingeteilt u. so verarbeitet
+- Abarbeitung: ohne aktive Mitwirkung eines Benutzers (Gegensatz: interaktiv)
+- ursprünglich: frühe Entwicklungsstufe von Betriebssystemen
+
+Ziele hier
+1. Auslastung teurer Betriebsmittel (i.d.R. Maximierung der CPU-Auslastung)
+2. Minimierung der Scheduling-Kosten (wenig Prozesswechsel, kurze Laufzeit des Scheduling-Algorithmus)
+3. Maximierung des Durchsatzes (erledigte Arbeit / Zeit)
+
+zwei der bekannteren:
+1. First Come, First Served (FCFS)
+   - in Reihenfolge, in der Threads rechenbereit werden
+   - extrem einfache Strategie, guter Durchsatz
+   - nicht immer sehr klug
+2. Shortest Remaining Time Next (SRTN)
+   - Prozessor erhält Thread mit voraussichtlich kürzester Restrechenzeit
+   - preemptiv* ) , d.h. Threads können von konkurrierenden Threads verdrängt werden
+   - (Schätzwert über) Restlaufzeit muss vorliegen
+
+### Interaktives System
+- Benutzer: kann bei Programmabarbeitung in Aktivitäten des Computers eingreifen
+- Abarbeitung: mit aktiver Mitwirkung eines Benutzers (Gegensatz: batch processing)
+- fortgeschrittenere Betriebssystem-Technik
+
+Ziele hier
+1. Minimierung von Reaktionszeiten (subjektiver Eindruck von Performanz)
+2. Fairness (mehrere Benutzer/Klienten)
+
+Algorithmen: Round Robin Varianten
+  - jeder Thread: bekommt ein gleich großes Teil „des Kuchens“: die Zeitscheibe
+  - einfach zu implementieren (1 Warteschlange, Uhr)
+  - geringe Algorithmuskosten (O(1): FIFO-Warteschlange, Ring)
+  - schnelle Entscheidungen (O(1): Nr. 1 aus Warteschlange)
+  - notwendiges Wissen gering (CPU-Nutzungsdauer des aktiven Threads)
+
+#### Einbeziehung von Prioritäten
+Ziel: Ausdrucksmöglichkeit der Wichtigkeit von Threads
+1. niedrig: z.B.
+  - Dämonen (die z.B. im Hintergrund Emails abrufen)
+  - Putzarbeiten (z.B. Defragmentierung)
+2. hoch: z.B.
+  - auf Aufträge reagierende Threads (z.B. in Servern)
+  - auf Benutzereingaben reagierende Threads (z.B. aktives Fenster einer GUI)
+  - unter Echtzeitbedingungen arbeitende Threads (z.B. Motormanagement, DVD-Spieler)
+
+Idee(n)
+1. jeder Thread: erhält individuelle Priorität
+2. Threads der höchsten Prioritäten: erhalten einen Prozessor
+3. zwischen Threads gleicher Priorität: Round-Robin
+
+viele Varianten dieses Schemas
+- statische Prioritäten, z.B. in
+  - planbaren Echtzeitsystemen (Autoradio: Reaktion auf Stationswechseltaste hat Vorrang vor Senderfeldstärkenüberwachung)
+  - kommerziellen Rechenzentren (wer mehr zahlt, ist eher an der Reihe)
+- dynamische Prioritäten, abhängig z.B. von
+  - verbrauchter CPU-Zeit (Verhinderung der Dominanz)
+  - E/A-Intensität
+  - Wartegrund
+
+### Schedulingziele in Echtzeitsystemen
+Finden einer Bearbeitungsreihenfolge (ein „Schedule“),
+- die Fristen einhält
+- deren Berechnung ökonomisch ist (Kosten des Scheduling-Algorithmus)
+- die selbst ökonomisch ist (Minimierung der Threadwechsel)
+- die sich (evtl.) an wechselnde Lastmuster anpasst
+
+Verbreitete Algorithmen
+- EDF: früheste Frist zuerst (earliest deadline first)
+  - für dynamische Lasten
+  - wird ein Thread rechenbereit, so „nennt“ er seine nächste Deadline (Frist)
+  - von allen bereiten Threads ist immer derjenige mit der frühesten Deadline aktiv (dringend=wichtig)
+  - Folglich
+    - arbeitet der Algorithmus mit dynamischen Prioritäten → adaptiv
+    - ist die Thread-Priorität um so höher, je näher dessen Frist liegt
+    - ist er preemptiv
+  - Voraussetzung: kausale und zeitliche Unabhängigkeit der Threads (keine wechselseitige Blockierung)
+- RMS: Raten-monotones Scheduling (rate-monotonic scheduling)
+  - für periodische Lasten (z.B. Mischpult, DVD-Spieler, technische Prozesse)
+  - wird ein Thread rechenbereit, so „nennt“ er seine Periodendauer
+  - von allen bereiten Threads ist immer derjenige mit der kürzesten Periodendauer aktiv
+  - Folglich:
+    - arbeitet der Algorithmus mit statischen Prioritäten
+    - ist die Thread-Priorität um so höher, je kürzer die Periodendauer ist
+    - ist er preemptiv
+  - Voraussetzung: periodische Threads; kausale und zeitliche Unabhängigkeit der Threads
+
+## Zusammenfassung
+Anzahl der Threads >> Anzahl der Prozessoren
+- nicht alle können gleichzeitig rechnen
+- eine Auswahl muss getroffen werden
+- → Auswahlstrategie: Schedulingalgorithmen
+
+# Privilegierungsebenen
+Problematik: Anwendungsprozesse und Betriebssystem nutzen gemeinsame (Hardware-)Ressourcen
+
+Schutz vor fehlerbedingten oder bösartigen räumlichen/zeitlichen Wechselwirkungen
+
+2 Konzepte
+1. private Adressräume
+2. Zugriffsschutz auf Arbeitsspeicherbereiche
+
+Verhinderung zeitlicher Wechselwirkungen
+- Ursache: Prozesse geben freiwillig keine Prozessoren auf
+- Umgang damit
+  - periodische Aktivierungen preemptiver Scheduler (Uhr)
+  - Scheduler-Aktivierungen durch asynchrone Ereignisse
+- kritisch also: Operationen zum Abschalten von
+  1. Uhr
+  2. Ereignismanagement (s. Kap. 5.4)
+- weitere kritische Operationen
+  1. Veränderung des Speicherlayouts
+  2. Veränderung kritischer Prozessorkontrollregister
+  3. Zugriff auf E/A-Geräte
+- notwendig: Schutz kritischer Operationen des Instruktionssatzes
+
+Lösungskonzept: Privilegierungsebenen ablaufender Aktivitäten, z.B.
+  - „kernel mode“ (≈ Betriebssystem-Modus)
+  - „user mode“ (Nutzer-Modus)
+- ermöglichen: Durchsetzung von Regeln:
+  - „Nur eine im „kernel mode“ ablaufende Aktivität hat Zugriff auf ...“
+- Privilegierungsebenen steuern Rechte ...
+  1. zur Ausführung privilegierter Prozessorinstruktionen
+  2. zur Konfiguration des Arbeitsspeicher-Layouts
+  3. zum Zugriff auf Arbeitsspeicherbereiche
+  4. zum Zugriff auf E/A-Geräte
+
+Realisierung: abhängig von Prozessorarchitektur
+- in Ringen 0 (höchste Priorität) bis 3 (niedrigste Priorität)
+
+Implementierung: Hardware-Unterstützung
+- aktuelle Privilegierungsebene ist
+  - Teil des Prozessor-Statusregisters: „Current Privilege Level“ (CPL)
+  - Grundlage der Hardware-Schutzmechanismen; permanente Überwachung
+    - der ausgeführten Instruktionen
+    - der Arbeitsspeicherzugriffe
+    - der E/A-Peripheriezugriffe
+- Modifikation des CPLs nur
+  1. durch privilegierte Instruktionen
+  2. bei Beginn und Abschluss
+    - des Aufrufs von Systemdiensten
+    - einer Ereignisbehandlung
+
+Botschaften
+- jede auf Privilegierungsebene < 3 ablaufende Aktivität hat Zugriff auf kritische Ressourcen
+- jede auf Privilegierungsebene 0 ablaufende Aktivität hat Zugriff auf
+  1. sämtliche Ressourcen eines Prozessors
+    - sämtliche Instruktionen (z.B. HALT)
+    - sämtliche Prozessorregister (z.B. Prozessor-Status-Register (PSR) )
+  2. MMU-Register zur Arbeitsspeicherkonfiguration 
+  3. sämtliche Register der E/A-Peripherie
+
+Sämtliche Schutz- und Sicherheitsmechanismen von
+- Anwendungsprozessen
+- Betriebssystem
+beruhen elementar auf 2 Bits: „Current Privilege Level“ (CPL) im Prozessor-Status-Register (PSR)