Bài giảng Hệ điều hành - Chương IV: Định thời CPU (Phần 1)

HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 4 (1) 
Định thời CPU
11/2/2017
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 1
Câu hỏi ôn tập chương 3
11/2/2017 2Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Nêu cụ thể các trạng thái của tiến trình?
/* test.c */
int main(int argc, char** argv)
{
printf(“Hello world\n");
scanf(“ Nhập c = %d”,&c);
exit(0);
}
Câu hỏi ôn tập chương 3 (tt)
11/2/2017 3Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
#include 
#include 
int main (int argc, char *argv[])
{
int pid;
pid = fork();
printf(“ so 1”);
printf(“ so 2”);
fork();
if (pid < 0){
printf(“hello”);
fork();
}else
fork();
printf(“bye”);
}
Câu hỏi ôn tập chương 3 (tt)
 Process control block chứa những thông tin gì?
 Các tác vụ đối với tiến trình?
 Tại sao phải định thời, có mấy loại bộ định thời?
11/2/2017 4Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Mục tiêu chương 4
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 5
 Biết được các khái niệm cơ bản về định thời
 Biết được các tiêu chuẩn định thời CPU
 Hiểu được các giải thuật định thời
 Vận dụng các giải thuật định thời để làm bài tập và mô
phỏng
Nội dung chương 3
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 6
 Các khái niệm cơ bản về định thời
 Các bộ định thời
 Các tiêu chuẩn định thời CPU
 Các giải thuật định thời
 First-Come, First-Served (FCFS)
 Shortest Job First (SJF)
 Shortest Remaining Time First (SRTF)
 Round-Robin (RR)
 Priority Scheduling
Khái niệm cơ bản
 Trong các hệ thống multitasking
 Thực thi nhiều chương trình đồng thời làm tăng hiệu suất hệ
thống
 Tại mỗi thời điểm, chỉ có một process được thực thi
 = > cần phải giải quyết vấn đề phân chia, lựa chọn process
thực thi sao cho được hiệu quả nhất
 -> chiến lược định thời CPU
 Định thời CPU
 Chọn một process (từ ready queue) thực thi
 Với một multithreaded kernel, việc định thời CPU là do OS
chọn kernel thread được chiếm CPU
11/2/2017 7Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các bộ định thời
11/2/2017 8Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các bộ định thời (tt)
 Long-term scheduling
 Xác định chương trình nào được chấp nhận nạp vào hệ thống
để thực thi
 Điều khiển mức độ multiprogramming của hệ thống
 Long term scheduler thường cố gắng duy trì xen lẫn CPU-
bound và I/O-bound process
 Medium-term scheduling
 Process nào được đưa vào (swap in), đưa ra khỏi (swap out) bộ
nhớ chính
 Được thực hiện bởi phần quản lý bộ nhớ và được thảo luận ở
phần quản lý bộ nhớ
11/2/2017 9Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các bộ định thời (tt)
 Short-term scheduling
 Xác định process nào trong ready queue sẽ được chiếm CPU
để thực thi kế tiếp (còn được gọi là định thời CPU, CPU
scheduling)
 Short term scheduler còn được gọi với tên khác là dispatcher
 Bộ định thời short-term được gọi mỗi khi có một trong các sự
kiện/interrupt sau xảy ra:
Ngắt thời gian (clock interrupt)
Ngắt ngoại vi (I/O interrupt)
Lời gọi hệ thống (operating system call)
Signal
11/2/2017 10Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Dispatcher
 Dispatcher sẽ chuyển quyền điều khiển CPU về cho process
được chọn bởi bộ định thời ngắn hạn
 Bao gồm:
 Chuyển ngữ cảnh (sử dụng thông tin ngữ cảnh trong PCB)
 Chuyển chế độ người dùng
 Nhảy đến vị trí thích hợp trong chương trình ứng dụng để khởi
động lại chương trình (chính là program counter trong PCB)
 Công việc này gây ra phí tổn
 Dispatch latency: thời gian mà dispatcher dừng một process và
khởi động một process khác
11/2/2017 11Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các tiêu chuẩn định thời CPU
 Hướng người dùng (User-oriented)
 Thời gian đáp ứng (Response time): khoảng thời gian process
nhận yêu cầu đến khi yêu cầu đầu tiên được đáp ứng (time-
sharing, interactive system) → cực tiểu
 Thời gian quay vòng (hoàn thành) (Turnaround time): khoảng
thời gian từ lúc một process được nạp vào hệ thống đến khi
process đó kết thúc → cực tiểu
 Thời gian chờ (Waiting time): tổng thời gian một process đợi
trong ready queue → cực tiểu
11/2/2017 12Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các tiêu chuẩn định thời CPU (tt)
 Hướng hệ thống (System-oriented)
 Sử dụng CPU (processor utilization): định thời sao cho CPU
càng bận càng tốt → cực đại
 Công bằng (fairness): tất cả process phải được đối xử như
nhau
 Thông lượng (throughput): số process hoàn tất công việc trong
một đơn vị thời gian → cực đại
11/2/2017 13Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Hai yếu tố của giải thuật định thời
 Hàm chọn lựa (selection function): dùng để chọn process nào
trong ready queue được thực thi (thường dựa trên độ ưu tiên,
yêu cầu về tài nguyên, đặc điểm thực thi của process,)
 Quy ước:
 w = tổng thời gian đợi trong hệ thống
 e = thời gian đã được phục vụ
 s = tổng thời gian thực thi của process (bao gồm cả “e”)
11/2/2017 14Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Hai yếu tố của giải thuật định thời (tt)
 Chế độ quyết định (decision mode): chọn thời điểm thực
hiện hàm chọn lựa để định thời
 Có hai chế độ:
 Không trưng dụng (Non-preemptive)
Khi ở trạng thái running, process sẽ thực thi cho đến khi kết thúc
hoặc bị blocked do yêu cầu I/O
 Trưng dụng (Preemptive)
Process đang thực thi (trạng thái running) có thể bị ngắt nửa
chừng và chuyển về trạng thái ready
Chi phí cao hơn non-preemptive nhưng đánh đổi lại bằng thời
gian đáp ứng tốt hơn vì không có trường hợp một process độc
chiếm CPU quá lâu
11/2/2017 15Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Preemptive và Non-preemptive
Hàm định thời được thực hiện khi
 (1)Chuyển từ trạng thái running sang waiting
 (2) Chuyển từ trạng thái running sang ready
 (3) Chuyển từ trạng thái waiting, new sang ready
 (4) Kết thúc thực thi
 (1) và (4) không cần lựa chọn loại định thời biểu, (2) và (3)
cần
Trư ờng hợp 1, 4 được gọi là định thời nonpreemptive
Trư ờng hợp 2, 3 được gọi là định thời preemptive
Thực hiện theo cơ chế nào khó hơn? Tại sao?
11/2/2017 16Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Các giải thuật định thời
 First-Come, First-Served (FCFS)
 Shortest Job First (SJF)
 Shortest Remaining Time First (SRTF)
 Round-Robin (RR)
 Priority Scheduling
 Highest Response Ratio Next (HRRN)
 Multilevel Queue
 Multilevel Feedback Queue
11/2/2017 17Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Khảo sát giải thuật định thời
 Service time = thời gian process cần CPU trong một chu kỳ
CPU-I/O
 Process có service time lớn là các CPU-bound process
11/2/2017 18Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
First-Come, First-Served (FCFS)
 Hàm lựa chọn:
 Tiến trình nào yêu cầu CPU trước sẽ được cấp phát CPU trước
 Process sẽ thực thi đến khi kết thúc hoặc bị blocked do I/O
 Chế độ quyết định: non-preemptive algorithm
 Hiện thực: sử dụng hàng đợi FIFO (FIFO queues)
 Tiến trình đi vào được thêm vào cuối hàng đợi
 Tiến trình được lựa chọn để xử lý được lấy từ đầu của queues
11/2/2017 19Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
First-Come, First-Served (FCFS)
 Giả sử thứ tự vào của
các tiến trình là
 P1, P2, P3
 Thời gian chờ
 P1 = 0
 P2 = 24
 P3 = 27
 Thời gian chờ trung
bình?
 (0+24+27)/3 = 17
11/2/2017 20Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
First-Come, First-Served (FCFS)
 Giả sử thứ tự vào của
các tiến trình là
 P2, P3, P1
 Thời gian chờ
 P1 = 6
 P2 = 0
 P3 = 3
 Thời gian chờ trung
bình?
 (6+0+3)/3 = 3
=> tốt hơn
11/2/2017 21Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Shortest-Job-First (SJF)
 Định thời biểu công việc ngắn nhất trước
 Khi CPU được tự do, nó sẽ cấp phát cho tiến trình yêu cầu ít
thời gian nhất để kết thúc ( tiến trình ngắn nhất)
 Liên quan đến chiều dài thời gian sử dụng CPU cho lần tiếp
theo của mỗi tiến trình
 Sử dụng những chiều dài này để lập lịch cho tiến trình với
thời gian ngắn nhất
11/2/2017 22Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Shortest-Job-First (SJF) (tt)
 Scheme 1: Non-preemptive
 Khi CPU được trao cho quá trình nó không nhường cho đến
khi nó kết thúc chu kỳ xử lý của nó
 Scheme 2: Preemptive
 Nếu một tiến trình mới được đưa vào danh sách với chiều dài
sử dụng CPU cho lần tiếp theo nhỏ hơn thời gian còn lại của
tiến trình đang xử lý, nó sẽ dừng hoạt động tiến trình hiện hành
→ Shortest-Remaining-Time-First (SRTF)
 SJF là tối ưu – cho thời gian chờ đợi trung bình tối thiểu với
một tập tiến trình cho trước
11/2/2017 23Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Non-Preemptive SJT
11/2/2017 24Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Process Arrival TimeBurst Time
P1 0 7
P2 2 4
P3 4 1
P4 5 4
0 8 16
P1 P2P3
Gantt Chart for Schedule
P4
127
Average waiting time =
(0+6+3+7)/4 = 4
Preemptive SJF (SRTF)
11/2/2017 25Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Process Arrival TimeBurst Time
P1 0 7
P2 2 4
P3 4 1
P4 5 4
0 7 16
P1 P2P3
Gantt Chart for Schedule
P4
115
Average waiting time =
(9+1+0+2)/4 = 3
P2 P1
2 4
Preemptive SJF (SRTF)
11/2/2017 26Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Process Arrival TimeBurst Time
P1 0 8
P2 1 4
P3 2 9
P4 3 5
Nhận xét về giải thuật SJF
 Có thể xảy ra tình trạng “đói” (starvation) đối với các
process có CPU-burst lớn khi có nhiều process với CPU-
burst nhỏ đến hệ thống.
 Cơ chế non-preemptive không phù hợp cho hệ thống time
sharing (interactive)
 Giải thuật SJF ngầm định ra độ ưu tiên theo burst time
 Các CPU-bound process có độ ưu tiên thấp hơn so với I/O-
bound process, nhưng khi một process không thực hiện I/O
được thực thi thì nó độc chiếm CPU cho đến khi kết thúc
11/2/2017 27Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Nhận xét về giải thuật SJF (tt)
 Tương ứng với mỗi process cần có độ dài của CPU burst tiếp
theo
 Hàm lựa chọn: chọn process có độ dài CPU burst nhỏ nhất
 Chứng minh được: SJF tối ưu trong việc giảm thời gian đợi
trung bình
 Nhược điểm: Cần phải ước lượng thời gian cần CPU tiếp
theo của process
 Giải pháp cho vấn đề này?
11/2/2017 28Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Nhận xét về giải thuật SJF (tt)
(Thời gian sử dụng CPU chính là độ dài của CPU burst)
Trung bình tất cả các CPU burst đo được trong quá khứ
Nhưng thông thường những CPU burst càng mới càng phản
ánh đúng hành vi của process trong tương lai
Một kỹ thuật thường dùng là sử dụng trung bình hàm mũ
(exponential averaging)
 τn+1 = a tn + (1 - a) τn , 0 ≤ a ≤ 1
 τn+1 = a tn + (1- a) a tn-1 ++ (1- a)jaτn-j ++ (1- a)n+1aτ0
Nếu chọn a = ½ thì có nghĩa là trị đo được tn và trị dự đoán τn
được xem quan trọng như nhau.
11/2/2017 29Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Dự đoán thời gian sử dụng CPU
11/2/2017 30Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Độ dài CPU burst
đo được
Độ dài CPU burst
dự đoán, với
a = ½ và 0 = 10
Priotity Scheduling
 Mỗi process sẽ được gán một độ ưu tiên
 CPU sẽ được cấp cho process có độ ưu tiên cao nhất
 Định thời sử dụng độ ưu tiên có thể:
 Preemptive hoặc
 Nonpreemptive
11/2/2017 31Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Priotity Scheduling (tt)
SJF là một giải thuật định thời sử dụng độ ưu tiên với độ ưu
tiên là thời-gian-sử-dụng-CPU-dự-đoán
Gán độ ưu tiên còn dựa vào:
Yêu cầu về bộ nhớ
Số lượng file được mở
Tỉ lệ thời gian dùng cho I/O trên thời gian sử dụng CPU
Các yêu cầu bên ngoài ví dụ như: số tiền người dùng trả khi
thực thi công việc
11/2/2017 32Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Priotity Scheduling (tt)
 Vấn đề: trì hoãn vô hạn định – process có độ ưu tiên thấp có
thể không bao giờ được thực thi
 Giải pháp: làm mới (aging) – độ ưu tiên của process sẽ tăng
theo thời gian
11/2/2017 33Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Tóm tắt lại nội dung buổi học
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 34
 Các khái niệm cơ bản về định thời
 Các bộ định thời
 Các tiêu chuẩn định thời CPU
 Các giải thuật định thời
 First-Come, First-Served (FCFS)
 Shortest Job First (SJF)
 Shortest Remaining Time First (SRTF)
 Round-Robin (RR)
 Priority Scheduling
Bài tập 1
 Sử dụng các giải thuật FCFS, SJF, SRTF, Priority để tính các
giá trị thời gian đợi, thời gian đáp ứng và thời gian hoàn
thành trung bình
11/2/2017 35Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
Bài tập 2
 Sử dụng các giải thuật FCFS, SJF, SRTF, Priority để tính các
giá trị thời gian đợi, thời gian đáp ứng và thời gian hoàn
thành trung bình
11/2/2017 36Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved.
THẢO LUẬN
11/2/2017 Copyrights 2017 CE-UIT. All Rights Reserved. 37