Scheduling in Linux (Kernel 2.4 e 2.6)

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Scheduling in Linux(Kernel 2.4 e 2.6)
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Versioni Kernel Linux
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Task in Linux

• Il kernel Linux tratta thread e processi allo
  stesso modo, ossia accedendo alle risorse che
  durante la creazione vengono assegnate e di cui
  si tiene traccia in una struttura dati chiamata
  task_struct.
• Thread appartenenti allo stesso processo possono
  tuttavia condividere le risorse semplicemente
  poiche possiedono lo stesso riferimento ad uno
  spazio di indirizzamento condiviso.
• In Linux task thread o processo

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Task List

• Il kernel memorizza i task in una lista
  doubled-linked circolare, chiamata task_list.
• Ciascun elemento di questa lista e un
  descrittore di processo di tipo task_struct.

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Scheduler Linux 2.4

• Il tempo e diviso in epoche, ossia degli
  intervalli in cui tutti i processi, a turno,
  eseguono per un quanto di tempo (timeslice).
• Il valore iniziale del quanto di un processo e
  il quanto di base 20-N tick del clock dove N in
  -20,19 e la priorita statica associata al
  processo (nice)
• Un valore alto di nice determina un quanto
  piccolo e quindi priorita minore

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Esecuzione dei task

• Ogni task ha un contatore C inizialmente quanto
  di base
• Il contatore viene decrementato in base a quanto
  tempo il processo rimane in esecuzione
  (attraverso un timer).
• Quando tutti i processi eseguibili hanno esaurito
  il quanto a loro disposizione (cioe C0 per
  processi in stato TASK_RUNNING) termina unepoca
  e ne inizia unaltra
• E importante notare che processi in attesa
  possono avere un valore residuo C gt0 (quando non
  hanno esaurito il quanto)

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Ricalcolo del quanto

• Alla fine dell'epoca si ricalcola il quanto di
  TUTTI i processi (anche quelli in attesa)
  prendendo il quanto di base incrementato della
  meta del tempo rimanente nel contatore.
• I processi CPU-bound (che consumano interamente
  il loro quanto di tempo) riceveranno un quanto
  più o meno sempre pari alla loro priorità
• I processi IO-bound ricevono un quanto di tempo
  superiore ai processi CPU-bound. Questo serve
  perche il quanto viene usato anche come
  priorita dinamica

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Scelta del prossimo task

• Dopo un context-switch, lo scheduler confronta
  le priorita dinamiche (goodness) di tutti i
  processi eseguibili
• La goodness e calcolata come segue
• goodness1000priorita statica, per task
  real-time
• goodnessCpriorita statica, per task
  time-sharing con Cgt0
• goodness0, per task time-sharing con C0
• Manda in esecuzione il task con goodness maggiore

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Complessita O(n) dello Scheduler

• Ad ogni cambio di contesto e necessario iterare
  tra tutti i processi (per la scelta del prossimo
  processo)
• Alla fine di ogni epoca viene effettuato
  l'aggiornamento dei contatori di ognuno dei
  processi da eseguire.
• Queste due operazioni hanno una complessita che
  dipende linearmente dal numero di processi in
  esecuzione, per cui l'algoritmo di scheduling di
  Linux 2.4 risulta O(n).
• Al crescere di n le performance dello scheduler
  peggiorano

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Altri problemi scheduler 2.4

• In architetture multiprocessore si usa una sola
  runqueue
• Positivo per bilanciare il carico delle diverse
  CPU
• Tuttavia viene usata in modo esclusivo (viene
  bloccata) dalla CPU che esegue lo scheduler
• Le altre CPU devono attendere che la runqueue
  venga rilasciata (non si frutta il parallelismo)

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Kernel 2.6

• Il kernel 2.6, utilizza delle nuove strutture
  dati rispetto alle versioni precedenti
• Lo scheduler e chiamato O(1) scheduler
  perche opera in tempo costante O(1)
  indipendentemente dal numero di thread in
  competizione per la CPU.
• Motivazione supportare al meglio il
  multithreading nella Java Virtual Machine
• Inoltre supporta in modo piu naturale sistemi
  multiprocessore

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Strutture dati

• Ogni CPU ha una runqueue chiamata active runqueue
  con 140 code di priorita (liste) gestite FIFO
• Prime 100 priorita real time task
• Ultime 40 user task
• Inoltre ogni CPU ha una expired runqueue con la
  stessa struttura della active runqueue

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Ricalcolo delle priorita

• Ogni task ha a disposizione un quanto di tempo
  (round robin su ogni coda di priorita)
• Quando un processo termina il suo quanto viene
  ricalcolata la sua priorita e il processo viene
  aggiunto in coda alla lista della nuova priorita
  nella expired runqueue
• Se non ci sono task da eseguire per una certa
  priorita nella active runqueue si scambiano
  active ed expired (expired diventa la nuova
  active runqueue)

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Active/Expired Runqueue
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Selezione

• Lo scheduler seleziona il task nella lista non
  vuota con maggiore priorita
• Ad ogni priorita viene associata una bitmask.
• Si possono utilizzare bit-a-bit per rendere
  loperazione dipendente dal numero di priorita
  invece che dal numero di processi
• Questa proprieta rende lo scheduler 2.6 un
  programma con complessita O(1).

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Active ed expired runqueue
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Altre caratteristiche

• Lo scheduler 2.6 permette la preemption dei task
  a minor priorita
• Il calcolo dinamico delle priorita (in base
  alluso della CPU e di operazioni di I/O) evita
  starvation
• Ogni runqueue ha un lock separato lockper
  sfruttare al meglio un sistema multiprocessore
  (lo scheduler su una CPU non blocca lo scheduler
  sulle altre)
• Inoltre utilizza tecniche di load balancing (es.
  ogni 200ms controlla il carico e se necessario
  sposta processi dalla runqueue di un processore
  ad unaltra)