2.6 Técnicas de administración de planificación

Planificación   a   plazo fijo.

 En la planificación a plazo fijo, ciertos trabajos se planifican para ser terminados en un periodo específico. Estos trabajos tienen un alto valor si se entregan a tiempo y pueden carecer  de valor si se entregan después del límite. La planificación a plazo fijo es compleja por muchas razones:

* Los usuarios deben proporcionar por adelantado y en forma precisa las necesidades    de  recursos de su trabajo. Tal información rara vez está disponible.

* El sistema debe ejecutar el programa de plazo fijo sin una severa degradación de servicio  para los otros usuarios.

* El sistema debe planificar cuidadosamente las necesidades de recursos permitiendo un libre tránsito del plazo fijo. Esto puede ser difícil debido a la llegada de programas nuevos con demandas impredecibles.

* Si se activan muchos trabajos de plazo fijo, la planificación puede llegar a ser tan compleja que necesite métodos de optimización sofisticados para asegurar que el plazo fijo se cumpla.

* El manejo intenso de recursos requeridos por la planificación de plazo fijo puede generar una sobrecarga sustancial.

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2.12.1 FIFO

Planificación  Primero   en  llegar - Primero  en  Salir (FIFO).

 Es la disciplina más simple, figura # 42. Los procedimientos son despachados de acuerdo al orden de llegada a la cola de listos. Una vez que un proceso tiene el CPU, se ejecuta hasta su terminación. Esta planificación es No apropiativa; es justa en el sentido formal, pero algo injusta porque los grandes procesos hacen esperar a trabajos pequeños y,  los trabajos sin importancia hacen esperar a los trabajos importantes.

Figura # 42. Planificación primero en llegar primero en salir.

La Planificación FIFO ofrece una varianza en tiempo de respuesta relativamente pequeña y es, por tanto, más predecible que otros esquemas; no es un esquema útil en la planificación de procesos interactivos porque no garantiza buenos tiempos de respuesta.

FIFO (Firs In First Out).-

Asocia a cada página el tiempo en que fue cargada en memoria. Cuando debe reemplazar una página, se selecciona la que hace mas tiempo que esta en memoria. También se puede implementar mediante la utilización de una lista. Se reemplazan las páginas de la cabeza y se agregan al final.

Planificación del Primero en Entrar Primero en Salir (FIFO) 

Es muy simple, los procesos se despachan de acuerdo con su tiempo de llegada a la cola de listos. 

Una vez que el proceso obtiene la cpu, se ejecuta hasta terminar, ya que es una disciplina “no apropiativa”. 

Puede ocasionar que procesos largos hagan esperar a procesos cortos y que procesos no importantes hagan esperar a procesos importantes. 

Es más predecible que otros esquemas. 

No puede garantizar buenos tiempos de respuesta interactivos. 

Suele utilizarse integrado a otros esquemas, por ejemplo, de la siguiente manera: 

• Los procesos se despachan con algún esquema de prioridad. 

• Los procesos con igual prioridad se despachan “FIFO”. 

SCHED_FIFO: Planificación FIFO (1º en entrar, 1º en salir).

SCHED_FIFO sólo puede emplearse con prioridades estáticas mayores que 0, lo que significa que cuando un proceso SCHED_FIFO se convierte en ejecutable, siempre prevalecerá inmediatamente sobre cualquier otro proceso normal SCHED_OTHER ejecutándose. SCHED_FIFO es un simple algoritmo de planificación sin rodajas de tiempo. Para procesos planificados bajo la política SCHED_FIFO, se aplican las siguientes reglas: Un proceso SCHED_FIFO que ha sido apropiado por otro proceso de mayor prioridad permanecerá en la cabeza de la lista para su prioridad y reanudará su ejecución tan pronto como todos los procesos de prioridad más alta se bloqueen de nuevo. Cuando un proceso SCHED_FIFO llegue a ser ejecutable, se insertará al final de la lista para su prioridad. Una llamada a sched_setscheduler o a sched_setparam pondrá el proceso SCHED_FIFO identificado por pid al final de la lista si era ejecutable. Un proceso que llame a sched_yield será colocado al final de la lista. Ningún otro suceso moverá un proceso planificado bajo la política SCHED_FIFO en la lista de espera de procesos ejecutables con igual prioridad estática. Un proceso SCHED_FIFO se ejecuta hasta que es bloqueado por una petición de E/S, hasta que sea apropiado por un proceso de más alta prioridad, o hasta que llame a sched_yield. 

http://www.hispafuentes.com/hf-doc/man/man2/sched_setscheduler.2.html

2.12.2 SJF

Planificación del trabajo más corto (SJF).

 La disciplina del trabajo más corto primero es NO apropiativa y en ella el trabajo o proceso con tiempo estimado de ejecución hasta terminación más corto, es el siguiente en ser ejecutado. El SJF reduce el tiempo de espera de los procesos, sin embargo, tiene una varianza mayor (es decir, es menos predecible) que en FIFO, sobre todo para los trabajos largos.

 SJF favorece a los procesos cortos a costa de los procesos largos. Además, selecciona los trabajos que serán atendidos y que dejarán el sistema lo antes posible. Esto último traduce en listas de espera cortas. El SJF es NO apropiativo por lo que resulta de poca utilidad en ambientes de tiempo compartido.

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Planificación del Trabajo Más Corto Primero (SJF) 

Es una disciplina no apropiativa y por lo tanto no recomendable en ambientes de tiempo compartido. 

El proceso en espera con el menor tiempo estimado de ejecución hasta su terminación es el siguiente en ejecutarse. 

Los tiempos promedio de espera son menores que con “FIFO”. 

Los tiempos de espera son menos predecibles que en “FIFO”. 

Favorece a los procesos cortos en detrimento de los largos. 

Tiende a reducir el número de procesos en espera y el número de procesos que esperan detrás de procesos largos. 

Requiere un conocimiento preciso del tiempo de ejecución de un proceso, lo que generalmente se desconoce. 

Se pueden estimar los tiempos en base a series de valores anteriores. 

Planificación del Tiempo Restante Más Corto (SRT) 

Es la contraparte apropiativa del SJF. 

Es útil en sistemas de tiempo compartido. 

El proceso con el tiempo estimado de ejecución menor para …nalizar es el siguiente en ser ejecutado. 

Un proceso en ejecución puede ser apropiado por un nuevo proceso con un tiempo estimado de ejecución menor. 

Tiene mayor sobrecarga que la planificación SJF. 

Debe mantener un registro del tiempo de servicio transcurrido del proceso en ejecución, lo que aumenta la sobrecarga. 

Los trabajos largos tienen un promedio y una varianza de los tiempos de espera aún mayor que en SJF. 

La apropiación de un proceso a punto de terminar por otro de menor duración recién llegado podría significar un mayor tiempo de cambio de contexto (administración del procesador) que el tiempo de finalización del primero. 

Al diseñarse los Sistemas Operativos se debe considerar cuidadosamente la sobrecarga de los mecanismos de administración de recursos comparándola con los beneficios esperados. 

Planificación el Siguiente con Relación de Respuesta Máxima (HRN) 

Corrige algunas de las debilidades del SJF, tales como el exceso de perjuicio hacia los procesos (trabajos) largos y el exceso de favoritismo hacia los nuevos trabajos cortos. 

Es una disciplina no apropiativa. 

La prioridad de cada proceso está en función no sólo del tiempo de servicio del trabajo, sino que también influye la cantidad de tiempo que el trabajo ha estado esperando ser servido. 

Cuando un proceso ha obtenido la cpu, corre hasta terminar. 

Las prioridades, que son dinámicas, se calculan según la siguiente fórmula, donde pr es la “prioridad”, te es el “tiempo de espera” y ts es el “tiempo de servicio”: 

Planificación del tiempo restante más corto primero (SRT).

 La SRT es apropiativa, en ella el proceso con el tiempo estimado de ejecución menor para llegar a su terminación es el siguiente en ser ejecutado, incluyendo las nuevas llegadas. En la disciplina SJF, una vez que el trabajo comienza su ejecución sigue hasta que termina. En SRT, un proceso en ejecución puede ser apropiado por un nuevo proceso con n tiempo estimado de ejecución menor. 

 La SRT tiene una sobrecarga mayor que la SJF. Debe mantener un registro del tiempo de servicio transcurrido del trabajo en ejecución y debe controlar las apropiaciones ocasionales.

Planificación  el  siguiente con relación  de respuesta  máxima (HRT).

 Brinch Hansen (1971) desarrolló la estrategia el siguiente con relación de respuesta máxima (HRT), que corrige algunas de las debilidades de SJF, en especial el favoritismo por los tamaños pequeños. La HRT es una disciplina de planificación NO apropiativa en la cual la prioridad de cada trabajo está en función, no sólo del tiempo de servicio del trabajo, sino del tiempo que un proceso ha estado esperando a ser servido, Una vez que un trabajo obtiene el CPU,  se ejecuta hasta su terminación. Las prioridades dinámicas en HRT se calculan según la fórmula 

Tiempo de espera  +  Tiempo de servicio

        Prioridad  =  

Tiempo de servicio

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2.12.3 RR 

Planificación Round Robin (RR).

 En esta planificación, figura # 43. Los procesos son despachados en FIFO, pero, se les otorga una cantidad limitada de tiempo de CPU llamada división de tiempo (time - slice) o cuanto (quantum). Si un proceso no termina antes de que se termine su tiempo de CPU, el CPU es apropiado y asignado al siguiente proceso en espera. El proceso apropiado se coloca al final de la lista de listos.

Figura # 43. Planeación round robin.

 El  esquema Round  robin es efectivo en un ambiente de tiempo compartido en el cual el sistema necesita garantizar un tiempo de respuesta razonable para los usuarios interactivos. La sobre carga  de la apropiación se mantiene baja mediante eficientes mecanismos de cambio de contexto y proporcionado suficiente memoria para que los procesos residan en ella al mismo tiempo.

 Existe una variante de este esquema llamada selfish round robin (SRR). En este esquema los procesos que entran al sistema se colocan primero en una lista de espera hasta que su prioridad alcanza el nivel de proceso para la lista de activos. Mientras un proceso está en la lista de espera, su prioridad aumenta en una relación a; cuando un proceso entra a la lista de activos su prioridad se incrementa en una relación b.

Tamaño del cuanto.

 La determinación del tamaño del cuanto es decisiva para la operación efectiva  de un sistema computacional. ¿Debe ser pequeño o grande el cuanto? ¿Debe ser fijo o variable? ¿Debe ser el mismo para todos los usuarios, o debe ser diferente para cada grupo de usuarios?.

 Cuando se tiene un cuanto grande cada proceso pude recibir todo el tiempo que necesita para su terminación, de manera que el esquema round robin se convierte en un FIFO. Cuando el cuanto es  pequeño, la sobrecarga por el intercambio de contexto se convierte en un factor dominante y el rendimiento del sistema se degrada. 

 ¿Cuál es el cuanto óptimo ? Es claro que cambia de un sistema a otro y que varia de acuerdo a la carga del sistema.

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SCHED_RR: Planificación circular (Round Robin).

SCHED_RR es una mejora simple de SCHED_FIFO. Todo lo descrito arriba para SCHED_FIFO se aplica también a SCHED_RR, excepto que a cada proceso sólo se le permite ejecutarse durante un cuanto de tiempo máximo. Si un proceso SCHED_RR ha estado ejecutándose durante un periodo de tiempo igual o mayor que el cuanto de tiempo, será puesto al final de la lista para su prioridad. Un proceso SCHED_RR que ha sido apropiado por un proceso de más alta prioridad y subsecuentemente reanuda su ejecución como un proceso en ejecución, completará la porción no expirada de su cuanto de tiempo de asignación en rueda. La cantidad del cuanto de tiempo puede ser obtenida con sched_rr_get_interval. 

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Planificación de Asignación en Rueda (RR: Round Robin) 

Los procesos se despachan en “FIFO” y disponen de una cantidad limitada de tiempo de cpu, llamada “división de tiempo” o “cuanto”. 

Si un proceso no termina antes de expirar su tiempo de cpu ocurren las siguientes acciones: 

1. La cpu es apropiada. 

2. La cpu es otorgada al siguiente proceso en espera. 

3. El proceso apropiado es situado al final de la lista de listos. 

Es efectiva en ambientes de tiempo compartido. 

La sobrecarga de la apropiación se mantiene baja mediante mecanismos eficientes de intercambio de contexto y con suficiente memoria principal para los procesos. 

Tamaño del Cuanto o Quantum 

La determinación del tamaño del cuanto es decisiva para la operación efectiva de un sistema computacional [7, Deitel]. 

Los interrogantes son: ¿cuanto pequeño o grande?, ¿cuanto fijo o variable? y ¿cuanto igual para todos los procesos de usuarios o determinado por separado para cada uno de ellos?. 

Si el cuanto se hace muy grande, cada proceso recibe todo el tiempo necesario para llegar a su terminación, por lo cual la asignación en rueda (“RR”) degenera en “FIFO”. 

Si el cuanto se hace muy pequeño, la sobrecarga del intercambio de contexto se convierte en un factor dominante y el rendimiento del sistema se degrada, puesto que la mayor parte del tiempo de cpu se invierte en el intercambio del procesador (cambio de contexto) y los procesos de usuario disponen de muy poco tiempo de cpu. 

El cuanto debe ser lo suficientemente grande como para permitir que la gran mayoría de las peticiones interactivas requieran de menos tiempo que la duración del cuanto, es decir que el tiempo transcurrido desde el otorgamiento de la cpu a un proceso hasta que genera una petición de Entrada / Salida debe ser menor que el cuanto establecido, de esta forma, ocurrida la petición la cpu pasa a otro proceso y como el cuanto es mayor que el tiempo transcurrido hasta la petición de Entrada / Salida, los procesos trabajan al máximo de velocidad, se minimiza la sobrecarga de apropiación y se maximiza la utilización de la 

Entrada / Salida. 

El cuanto óptimo varía de un sistema a otro y con la carga, siendo un valor de referencia 100 mseg (cien milisegundos). 

2.12.4 Queves multi-level.

Planificación de Dos Niveles 

Los esquemas analizados hasta ahora suponen que todos los procesos ejecutables están en la memoria principal. 

Si la memoria principal es insuficiente, ocurrirá lo siguiente [23, Tanenbaum]: 

• Habrá procesos ejecutables que se mantengan en disco. 

• Habrá importantes implicaciones para la planificación, tales como las siguientes: 

o El tiempo de alternancia entre procesos para traer y procesar un proceso del disco es considerablemente mayor que el tiempo para un proceso que ya está en la memoria principal. 

o Es más eficiente el intercambio de los procesos con un planificador de dos niveles. 

El esquema operativo de un planificador de dos niveles es como sigue: 

1. Se carga en la memoria principal cierto subconjunto de los procesos ejecutables. 

2. El planificador se restringe a ellos durante cierto tiempo. 

3. Periódicamente se llama a un planificador de nivel superior para efectuar las siguientes tareas: 

1. Eliminar de la memoria los procesos que hayan permanecido en ella el tiempo suficiente. 

2. Cargar a memoria los procesos que hayan estado en disco demasiado tiempo. 

4. El planificador de nivel inferior se restringe de nuevo a los procesos ejecutables que se encuentren en la memoria. 

5. El planificador de nivel superior se encarga de desplazar los procesos de memoria a disco y viceversa. 

Los criterios que podría utilizar el planificador de nivel superior para tomar sus decisiones son los que se indican a continuación: 

• ¿Cuánto tiempo ha transcurrido desde el último intercambio del proceso?. 

• ¿Cuánto tiempo de cpu ha utilizado recientemente el proceso?. 

• ¿Qué tan grande es el proceso? (generalmente los procesos pequeños no causan tantos problemas en este sentido). 

• ¿Qué tan alta es la prioridad del proceso?. 

El planificador de nivel superior podría utilizar cualquiera de los métodos de planificación analizados.

2.12.5 Multi-level feedback queves.

Colas de Retroalimentación de Niveles Múltiples 

Proporcionan una estructura para lograr los siguientes objetivos: 

• Favorecer trabajos cortos. 

• Favorecer trabajos limitados por la Entrada / Salida para optimizar el uso de los dispositivos de Entrada / Salida. 

• Determinar la naturaleza de un trabajo lo más rápido posible y planificar el trabajo (proceso) en consecuencia. 

Un nuevo proceso entra en la red de línea de espera al final de la cola superior. 

Se mueve por esta cola “FIFO” hasta obtener la cpu. 

Si el trabajo termina o abandona la cpu para esperar por la terminación de una operación de Entrada / Salida o la terminación de algún otro suceso, el trabajo abandona la red de línea de espera. 

Si su cuanto expira antes de abandonar la cpu voluntariamente, el proceso se coloca en la parte trasera de la cola del siguiente nivel inferior. 

El trabajo recibe servicio al llegar a la cabeza de esta cola si la primera está vacía. 

Mientras el proceso continúe consumiendo totalmente su cuanto en cada nivel, continuará moviéndose hacia el final de las colas inferiores. 

Generalmente hay una cola en la parte más profunda a través de la cual el proceso circula en asignación de rueda hasta que termina. 

Existen esquemas en los que el cuanto otorgado al proceso aumenta a medida que el proceso se mueve hacia las colas de los niveles inferiores, en tal caso, cuanto más tiempo haya estado el proceso en la red de línea de espera, mayor será su cuanto cada vez que obtiene la cpu y no podrá obtener la cpu muy a menudo debido a la mayor prioridad de los procesos de las colas superiores. 

Un proceso situado en una cola dada no podrá ser ejecutado hasta que las colas de los niveles superiores estén vacías. 

Un proceso en ejecución es apropiado por un proceso que llegue a una cola superior. 

Es un mecanismo adaptable, es decir que se adapta a cargas variables.