TÉCNICAS DE ADMINISTRACIÓN DEL PLANIFICADOR

En los siguientes subapartados vamos a estudiar ciertos algoritmos utilizados para planificar la CPU, la elección de uno (o de una mezcla de varios) depende de decisiones de diseño. Antes de exponer los algoritmos vamos a explicar ciertas medidas que se utilizan para evaluarlos.

• Porcentaje de utilización de la CPU por procesos de usuario. La CPU es un recurso caro que necesita ser explotado, los valores reales suelen estar entre un 40% y un 90%.

• Rendimiento (throughput) = nº de ráfagas por unidad de tiempo. Se define una ráfaga como el período de tiempo en que un proceso necesita la CPU; un proceso, durante su vida, alterna ráfagas con bloqueos. Por extensión, también se define como el nº de trabajos por unidad de tiempo.

•  Tiempo de espera (E) = tiempo que una ráfaga ha permanecido en estado listo.

• Tiempo de finalización (F) = tiempo transcurrido desde que una ráfaga comienza a existir hasta que finaliza. F = E + t (t = tiempo de CPU de la ráfaga).

• Penalización (P) = E + t / t = F / t, es una medida adimensional que se puede aplicar homogéneamente a las ráfagas independientemente de su longitud.

En general, hay que maximizar los dos primeros parámetros y minimizar los tres últimos. Sin embargo, estos objetivos son contradictorios, el dedicar más tiempo de CPU a los usuarios se hace a costa de llamar menos al algoritmo de planificación (menos cambios de proceso), y de simplificarlo. Esto provoca que la CPU se reparta menos equitativamente entre los procesos, en detrimento de los últimos tres parámetros.
Así pues, dependiendo de los objetivos se elegirá cierto algoritmo. En los sistemas por lotes suele primar el rendimiento del sistema, mientras que en los sistemas interactivos es preferible minimizar, por ejemplo, el tiempo de espera.


TÉCNICAS O ALGORITMOS 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.

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

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.

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.También se puede implementar mediante la utilización de una lista. Se reemplazan las páginas de la cabeza y se agregan al final.

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”.

Planificación por Prioridad al más corto (SJF, Short Job First).

            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.

• 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 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 p_r es la “prioridad”, t_e es el “tiempo de espera” y t_s 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

Planificación Round Robin (RR)

             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.

 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 o Quantum

La determinación del tamaño del cuanto es decisiva para la operación efectiva de un sistema computacional 

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)

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

Habrá procesos ejecutables que se mantengan en disco. 

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

Multi-level feedback queves.

Colas de Retroalimentación de Niveles Múltiples 

Cuando un proceso obtiene la CPU, sobre todo cuando todavía no ha tenido oportunidad de establecer un patrón de comportamiento, elplanificador no tiene idea de la cantidad de tiempo de CPU que necesitará el proceso. Los procesos limitados por la E/S normalmente usan la CPU sólo un momento antes de generar una solicitud de E/S; los procesos limitados por la CPU pueden usar el procesador durante horas si está disponible en forma no apropiativa.

Un mecanismo de planificación debe:

•  Favorecer a los trabajos cortos.

•  Favorecer a los trabajos limitados por la E/S para lograr un mejor aprovechamiento de los dispositivos de E/S.

• Determinar la naturaleza de un trabajo lo más pronto posible y planificarlo de acuerdo con su naturaleza.  

Las colas de retroalimentación de niveles múltiples son ideales para separar procesos en categorías basadas en su necesidad de la CPU. En un sistema de tiempo compartido, cada vez que un proceso abandona la red de colas puede "marcarse" con la identidad de la última cola en donde estuvo, y cuando el proceso entra de nuevo en la red de colas, puede enviarse directamente a la cola en la cual terminó su operación por última vez. En este caso, el planificador está usando un razonamiento heurístico, según el cual el comportamiento anterior del proceso es un buen indicador de su comportamiento en un futuro inmediato. De esta forma, un proceso limitado por la CPU que regresa a la red de colas no se coloca en las colas de nivel alto donde interferiría con el servicio a los procesos cortos de prioridad alta o con los limitados por la E/S.

REFERENCIAS:

https://sites.google.com/site/materiasisoperativo/unidad-2-administrador-del-proceso-y-del-procesador/2-6-tecnicas-de-administracion-del-planificador