Метрики
- Время ожидания (непродуктивное время).
- Время отклика (для интерактивных процессов важно — смотрим что-то в реальном времени).
Что считать «хорошо»? Нужны граничные свойства алгоритма.
Свойства алгоритмов планирования
- Предсказуемость. На похожих данных алгоритм должен давать похожие результаты. Например, время работы алгоритма. Настоящие специалисты не используют O-нотацию — в реальности оценки превращаются в тыкву. Пример: генетические задачи — мутации, время их схождения — случайная величина с большой дисперсией.
- Масштабируемость. В современном мире для планировщиков $O(n)$ недопустимо, надо хотя бы $O(\log n)$. Был алгоритм планировщика с провокационным названием O(1) (где константа была 104). Его заменили на $O(\log n)$. Асимптотически $O(1)$ эффективнее, но в реальности $O(\log n)$ оказался лучше.
- Реализуемость. Есть слепые тесты — алгоритм заменяется рандомайзером. Если рандомайзер лучше планировщика — зачем такой алгоритм? Критерий истины — практика. Накладные расходы нужно минимизировать.
Параметры планирования
Хотим выстроить план — для этого надо что-то знать о процессах. Есть $n$-мерное пространство — $n$-мерный куб, каждая сторона которого — параметр. Сводим задачу к поиску экстремума функции. Если бы функция была всюду дифференцируемой и непрерывной — задача была бы простой. Но это только в математике.
Параметры можно делить на:
- статические vs динамические,
- системы vs процессы.
- Статические параметры системы: характеристики железа.
- Динамические параметры системы: процент утилизации процессора, утилизации канала связи и т. д.
- Статические параметры процесса: права доступа (если процесс вовсе не может открывать сокет — не учитываем его в сетевом планировщике), и т. п.
- Динамические параметры процесса:
- CPU-Burst — сколько процесс будет непрерывно работать на процессоре, пока не уйдёт в I/O (в тактах).
- I/O-Burst — аналогично с I/O: через сколько вернётся.
2 класса алгоритмов
- Вытесняющее планирование — есть способ прервать процесс и передать ресурс следующему.
- Невытесняющее планирование — нет.
Алгоритмы планирования
1. FCFS (First-Come-First-Served)
А что если перевернуть очередь?
Полное время сократилось в 2 раза, время ожидания — в 5 раз.
Справедливость говорит: FCFS. Эффективность говорит: пропустить вперёд «студента с водой». Но охранник не знает CPU-Burst процессов.
2. RR (Round-Robin)
С теми же процессами:
Поставим квант $K = 1$:
Но накладные расходы будут колоссальными.
3. SJF (Shortest Job First)
4. Гарантированное планирование
Пусть есть $N$ процессов. Каждый $i$-й процесс характеризуется двумя величинами:
- $T_i$ — текущее полное время (время в системе);
- $\tau_i$ — текущее время исполнения.
В идеале $\tau_i \approx \frac{T_i}{N}$. Вводим коэффициент справедливости:
$$R_i = \frac{\tau_i \cdot N}{T_i}$$Тот, у кого $R_i$ минимален, — самый обделённый. Вводим квант: пока процесс выполняется, числитель растёт только у него, знаменатель — у других. Через какое-то время самым обделённым станет уже кто-то другой. Так аккуратно и справедливо раздаётся процессорное время.
Сломалось две вещи:
- $R_i$ — вещественное число. Сортировка по вещественным числам сложна — сравнение двух вещественных чисел дорого, тем дороже, чем выше точность.
- Подверженность хакингу. Студенты за либеральные ценности — только пока их не собираются отчислить. Что делали студенты в общаге? Заходил в 7 утра, запускал процесс-заглушку. До 12 утра дописывал реальный код. К моменту, когда код появлялся, $\tau_i$ маленькое, а знаменатель уже накопился — процесс получал максимальные ресурсы. Началась гонка таких программ.
Через 40 лет к этой идее вернутся и докажут, что так делать всё-таки можно.
Многоуровневая очередь
Аналогия с управлением программой:
- 4-курсник, пишущий диплом и уже стажирующийся.
- 1-курсник, который ещё никак себя не показал.
- Студент с 3 академами.
Как расставить рейтинг? Появился новый студент, надо вставить между 378-м и 379-м местом. Вещественные числа? Сдвигать всех начиная с 378? Возникает идея — многоуровневая очередь.
- Внутри очереди — Round-Robin.
- Процесс может исполняться только если нет процессов в более приоритетной очереди.
Со старых времён был компьютер с аптаймом 6 лет. Взяли дамп памяти — для изучения. В дампе планировщика был процесс, который так и не выполнился за много лет. Он был где-то на дне.
Появился алгоритм типа «лифт» — и многоуровневая очередь с обратной связью.
