9. Планирование в однопроцессорных системах. Планирование в системах пакетной обработки, системах реального времени и интерактивных системах. Алгоритмы планирования. Планировщики.

Планирование исполнения процессов является одним из ключевых теоретических и практических понятий, относящихся к многопроцессорным вычислительным системам. Планирование исполнения процессов или, в общем случае, задач, заключается в построении отображения множества задач на множество вычислительных элементов (ядер, процессоров) системы с учетом динамики ее работы. Программу, которая реализует тот или иной алгоритм планирования исполнения задач, называют планировщиком (scheduler).

Планировщик обычно пытается обеспечить максимальную загрузку процессоров, высокую пропускную способность системы - количество выполненных задач за единицу времени, минимальное время нахождения задачи в очереди на выполнение, справедливость распределения процессорного времени между задачами, и др.

В рамках однопроцессорной вычислительной системы обычно используются следующие классические дисциплины планирования:

1. FIFO - очередь задач (First In, First Out)

2. LIFO - очередь задач (стек) (Last In, First Out)

Варианты LIFO и FIFO иллюстрируют статическое планирование исполнения процессов в однопроцессорной системе под управлением операционной системы с монопольным доступом к процессору (операционная система без вытеснения процесса).

3. Круговое обслуживание задач на базе FIFO очереди

Данный вариант иллюстрирует принцип работы планировщика однопроцессорной системы с вытеснением процессов, зачастую поддерживается сортировка процессов в очереди согласно определенным приоритетам процессов. Принципы назначения или вычисления приоритета процесса определяются типом планировщика.

Планирование в системах пакетной обработки данных

"Первым пришел - первым обслужен". Процессам предоставляется доступ к процессору в том порядке, в котором они его запрашивают. Преимущество: легко понять и столь же легко программировать. Недостаток: если есть один процесс, ограниченный возможностями процессора, то они замедлят работу процесса "Кратчайшая задача - первая". Предполагается, что временные отрезки работы известны заранее. Если в очереди есть несколько одинаково важных задач, планировщик выбирает первой самую короткую задачу. Происходит экономия времени. Эта схема работает лишь в случае лишь одновременного наличия задач. "Наименьшее оставшееся время выполнения". Это версия предыдущего алгоритма с переключениями. В соответствии с этим алгоритмом планировщик каждый раз выбирает процесс с наименьшим оставшимся временем выполнения. В этом случае также необходимо заранее знать время выполнения задач. Когда поступает новая задача, ее полное время выполнения сравнивается с оставшимся временем выполнения текущей задачи. Если время выполнения новой задачи меньше, текущий процесс приостанавливается и управление передается новой задаче. Эта схема позволяет быстро обслуживать короткие запросы.

Планирование в интерактивных системах

"Циклическое планирование". Каждому процессу предоставляется некоторый интервал времени процессора - квант. Если к концу кванта времени процесс все еще работает, он прерывается, а управление передается другому процессу. Первоначальный процесс переносится в конец очереди. Значение кванта около 20-50 мс является оптимальным. В этом типе алгоритма есть важное допущение о том, что все процессы равнозначны. "Приоритетное планирование". Основная идея: каждому процессу присваивается приоритет, и управление передается готовому к работе процессу с самым высоким приоритетом. Чтобы предотвратить бесконечную работу процессов с высоки приоритетом, планировщик может уменьшит приоритет процесса с каждым тактом часов (то есть при каждом прерывании по таймеру). Если в результате приоритет текущего процесса окажется ниже, чем приоритет следующего процесса, произойдет переключение. Возможно предоставление каждому процессу максимального отрезка времени работы. Как только время кончилось, управление передается следующему по приоритету процессу.

Планирование в системах реального времени

В системах реального времени существенную роль играет время. Чаще всего одно или несколько внешних физических устройств генерирует входные сигналы, и компьютер должен адекватно на них реагировать в течение заданного промежутка времени. Например, компьютер в проигрывателе компакт-дисков получает биты от дисковода и должен за очень маленький промежуток времени конвертировать их в музыку. Если процесс конвертации будет слишком долгим, звук окажется искаженным. Подобные системы также используются для наблюдения за пациентами в палатах интенсивной терапии, в качестве автопилота самолета, для управления роботами на автоматизированном производстве. В любом из этих случаев запоздалая реакция ничуть не лучше, чем отсутствие реакции. Системы реального времени делятся на жесткие системы реального времени, что означает наличие жестких сроков для каждой задачи, и гибкие системы реального времени, в которых нарушения временного графика нежелательны, но допустимы. В обоих случаях реализуется разделение программы на несколько процессов, каждый из которых предсказуем. Эти процессы чаще всего бывают короткими и завершают свою работу в течении секунды. Когда появляется внешний сигнал, именно планировщик должен обеспечить соблюдение графика. Внешние события, на которые система должна реагировать можно разделить на периодические (возникающие через регулярные промежутки времени) и непериодические (возникающие непредсказуемо). Алгоритмы планирования для систем реального времени могут быть как статическими, так и динамическими. В первом случае все решения планирования принимаются заранее, еще до запуска системы. Во втором случае решения планирования принимаются по ходу дела. Статическое планирование допустимо только при наличии достоверной информации о работе, которую необходимо выполнить и о временном графике, которого нужно придерживаться. Динамическое планирование не нуждается в подобных ограничениях.