Scheduling

Diese Seite ist Teil des Seminars Advanced Operating System Principles.

Einführung

Scheduling ist generell die Zuteilung begrenzter Ressourcen auf Prozesse. Im folgenden werden 2 "jüngere" Verfahren zur Verbesserung des Scheduling näher betrachtet. Einmal das Verfahren Lottery Scheduling, sowie das Steigern der Clock Interupt Rate. Fachbegriffe in diesem Artikel werden wenn möglich sinnvoll übersetzt.

Lottery Scheduling

Abbildung 1: Beispiellotterie

Abbildung 2: Unterschiedliche Ticket Währungen

Abbildung 3: Separierung durch unterschiedliche Währungen

Dieses Scheduling Verfahren wurde 1994 von Carl A. Waldspurger entwickelt. Ihm liegt ein zufallsbasierter Ressourcen-Verteilungs-Mechanismus zugrunde, der eine einfache und doch sehr flexible Kontrolle über die relativen Ausführungsraten ermöglicht, da der Zufall über längere Sicht ja keinesfalls zufällig sondern relativ genau ist. Zur Abstraktion wird eine Währung eingeführt, sogenannte Lotterie Tickets. Vor jeder Ressourcenzuteilung wird eine Lotterie durchgeführt, wobei der Prozess, der das Gewinnerticket besitzt, die Ressource für ein fest definiertes Zeitquantum nutzen darf.

Zum visuellen Verständnis ist rechts eine Beispiellotterie angegeben, die den Ablauf verdeutlicht.

Die Ticket Abstraktion bietet einen besonderen Vorteil, das modulare Ressourcen-Management, welches durch 4 Methoden beschrieben wird:

Ticket Transfer

Der Ticket Transfer ermöglicht es Prozessen Tickets an Prozesse, von denen sie abhängig sind, abzutreten. Angenommen in der Beispiellotterie wäre Prozess1 von Prozess3 abhängig, dann würde Prozess3 mit einer relativen Wahrscheinlichkeit von 5/10=0,5 die Ressource zugeteilt bekommen (Prozess 1 nimmt ja nicht an der Lotterie teil). Durch den Ticket Transfer könnte Prozess1 seine 10 Tickets an Prozess3 abtreten, und würde dessen Wahrscheinlichkeit auf 15/20=0,75 erhöhen.

Ticket Inflation

Die Ticket Inflation ermöglicht es einem Prozess selbstständig die Anzahl seiner Tickets zu erhöhen oder zu verringern. Diese Methode setzt vorraus, dass die Prozesse untereinander nicht konkurrieren, da ansonsten jeder Prozess unendlich viele Tickets generieren würde. Im vorherigen Beispiel könnte so Prozess3 selbst die Anzahl seiner Tickets erhöhen, ohne dass dafür eine Kommunikation zum Ticket Transfer nötig wäre.

Ausgleichstickets

Diese Methode soll sicherstellen, dass ein Prozess, der nicht das volle ihm zugeteilte Zeitquantum nutzt, trotzdem die Ressource mit der ihm durch die Tickets zugeteilten relativen Wahrscheinlichkeit nutzen kann. Dazu bekommt er für die nächste Lotterie mehr Tickets in Abhängigkeit der verbrauchten Zeit des aktuellen Quantums. Sollte der Prozess also nach dem halben Quantum die Steuerung abgeben, so erhält er doppelt so viele Tickets für die nächste Lotterie.

Ticket Währungen

Ticket Währungen gewährleisten eine Separierung mehrerer Prozessebenen. Ist schwer zu beschreiben, sollte durch Abbildung 2 aber klar werden. Hier haben 2 Benutzer Alice und Bob eine feste Anzahl base-Tickets, die eine relative Ressourcennutzung von 0,33 zu 0,67 also 1 zu 2 bedeuten, und vergeben für ihre Benutzerprozesse jeweils eine eigene Währung. Damit ist gewährleistet, dass das base-Verhältnis bestand hat, egal was die Benutzer auch tun, auch wenn z.B. Bob einen weiteren Prozess startet, siehe Abbildung 3 mit einem base-Verhältnis von 1 zu 1, bleibt Alice unberührt.

Clock interrupt rate tuning

Dies ist kein weiteres Scheduling Verfahren, sondern eine Technik, die das bisherige Scheduling mit einer winzigen Änderung im Betriebssystem effizienter machen soll. Dabei geht es um die System clock, die vom Betriebssystem gesetzt und als timer interrupt rate verwendet wird, also dessen Reaktionszeit definiert. Diese Uhr lief bis vor einigen Jahren seit knapp 3 Jahrzehnten mit 100 Hz, was damals bei 1-MHz-Computern 10.000 Instruktionen pro Tick entsprach, heute jedoch schon mehr als 10 Millionen Instruktionen sind.

Quellen

• Carl A. Waldspurger and William E. Weihl. Lottery Scheduling: Flexible Proportional-Share ResourceManagement. In Proceedings of the 1st USENIX Symposium on Operating Systems Design and Implementation (OSDI), pages 1–11, November 14–17 1994.
• Etsion, Yoav; Tsafrir, Dan; Freitelson, Dror G. Effects of Clock Resolution on the Scheduling of Interactive and Soft Real-time Processes. In SIGMETRICS ’03 S. 172 - 183.
• Andi Drebes Schedulingalgorithmen und Rechenzeitverteilung auf Betriebssystemebene