Bài giảng Hệ điều hành - Chương 4: Lập lịch - Scheduling

 lập lịch
 CPU utilization(tận dụng) – giữ cho CPU càng bận 
càng tốt (0-100%)
 Throughput(thông lượng tối đa) – số tiến trình được 
hoàn thành trong một đơn vị thời gian
 Turnaround time – tổng lượng thời gian để thực hiện 
một tiến trình: t/g chờ được đưa vào bộ nhớ + t/g chờ
trong ready queue + t/g thực hiện bởi CPU + t/g thực 
hiện vào-ra
 Waiting time – thời gian mà một tiến trình chờ đợi ở
trong ready queue
 Response time – lượng thời gian tính từ khi có một yêu 
cầu được gửi đến khi có sự trả lời đầu tiên được phát ra, 
không phải là thời gian đưa ra kết quả của sự trả lời đó. 
→ là tiêu chuẩn tốt.
4-Jun-14 TT. QTM 9
3. Các giải thuật lập lịch
 Giải thuật First-Come, First-Served
 Giải thuật Shortest-Job-First
 Giải thuật Lập lịch có ưu tiên - Priority 
Scheduling
 Giải thuật Round-Robin (RR)
 Giải thuật Lập lịch hàng đợi đa mức
Multilevel Queue
 Giải thuật Hàng đợi phản hồi đa mức - Multilevel 
Feedback Queue
4-Jun-14 TT. QTM 10
3.1. Giải thuật First-Come, First-
Served (FCFS)(1)
 Tiến trình nào yêu cầu CPU trước sẽ được phân phối CPU trước→
Giải thuật FCFS là không được ưu tiên
 Là giải thuật đơn giản nhất
 Process Burst Time (thời gian xử lý-thời gian sử dụng CPU, ms)
P1 24
P2 3
P3 3
 Giả định rằng các tiến trình đến theo thứ tự: P1, P2, P3 thì biểu đồ
Gantt (Gantt Chart) của lịch biểu như sau:
 Thời gian chờ đợi của các tiến trình: P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27
 Thời gian chờ đợi trung bình: (0 + 24 + 27)/3 = 17
4-Jun-14 TT. QTM 11
3.1. Giải thuật First-Come, First-
Served (FCFS)(2)
Giả sử các tiến trình đến theo thứ tự P2 , P3 , P1
 Biểu đồ Gantt của lịch biểu như sau:
 Thời gian chờ đợi của các tiến trình: P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3
 Thời gian chờ đợi trung bình: (6 + 0 + 3)/3 = 3
 Tốt hơn nhiều so với trường hợp trước
 Convoy effect (hiệu ứng hộ tống): tiến trình ngắn đứng sau tiến trình 
dài -> tăng thời gian đợi của các tiến trình
4-Jun-14 TT. QTM 12
3.2. Giải thuật Shortest-Job-First 
(SJF)(1)
 Gắn với mỗi tiến trình là thời gian sử dụng CPU tiếp sau của nó.
 Thời gian này được sử dụng để lập lịch các tiến trình với thời 
gian đợi ngắn nhất.
 Hai phương pháp:
 Không ưu tiên trước (non-preemptive)– một tiến trình nếu sử dụng 
CPU thì không nhường cho tiến trình khác cho đến khi nó kết 
thúc.
 Có ưu tiên trước – nếu một tiến trình đến có thời gian sử dụng 
CPU ngắn hơn thời gian còn lại của tiến trình đang thực hiện
thì ưu tiên tiến trình mới đến trước. Phương pháp này còn được gọi 
là Shortest-Remaining-Time-First (SRTF)
 SJF là tối ưu – cho thời gian chờ đợi trung bình của các tiến 
trình là nhỏ nhất
4-Jun-14 TT. QTM 13
3.2. Giải thuật Shortest-Job-First 
(SJF)(2)
Ví dụ SJF không ưu tiên trước
 SJF (non-preemptive)
 Thời gian chờ đợi của các tiến trình: P1 = 0; P2 = 6; P3 = 3, P4 = 7
 Thời gian chờ đợi trung bình = (0 + 6 + 3 + 7)/4 = 4
4-Jun-14 TT. QTM 14
3.2. Giải thuật Shortest-Job-First 
(SJF)(3)
 Ví dụ Preemptive SJF
 SJF (preemptive)
 Thời gian chờ đợi trung bình = (9 + 1 + 0 +2)/4 = 3
4-Jun-14 TT. QTM 15
3.3. Xác định thời gian sử dụng 
CPU kế tiếp(1)
4-Jun-14 TT. QTM 16
3.3. Xác định thời gian sử dụng 
CPU kế tiếp(2)
 Minh họa khi α = 1/2 và τ0 = 10
4-Jun-14 TT. QTM 17
3.4. Lập lịch có ưu tiên - Priority 
Scheduling(1)
 Mỗi tiến trình được gắn một số ưu tiên (số nguyên). VD: 0-127
 CPU được phân phối cho tiến trình có mức ưu tiên cao nhất (có số ưu 
tiên nhỏ nhất)
 Preemptive
 nonpreemptive
 SJF là trường hợp riêng của lập lịch có ưu tiên: mức ưu tiên chính là
thời gian sử dụng CPU tiếp sau dự đoán được.
 Vấn đề: những tiến trình có mức ưu tiên thấp có thể không bao giờ 
được thực hiện (starvation).
 Giải pháp ≡ Aging: kỹ thuật tăng mức ưu tiên của các tiến trình chờ 
đợi lâu trong hệ thống.
 VD: Sau 1-15 phút giảm số ưu tiên một lần.
4-Jun-14 TT. QTM 18
3.4. Lập lịch có ưu tiên - Priority 
Scheduling(2): Ví dụ
 Preemptive:
 T/gian chờ đợi trung bình = (0 + 1 + 6 + 16 + 18)/5 = 8.2
4-Jun-14 TT. QTM 19
3.5. Giải thuật Round-Robin 
(RR)(1)
 Mỗi tiến trình sử dụng một lượng nhỏ thời gian của 
CPU (time quantum – thời gian định lượng, q), 
thường là 10-100 ms. 
 Sau thời gian thực hiện q, tiến trình đưa vào cuối 
của ready queue.
 Ready queue được tổ chức dạng FIFO (FCFS)
 Nếu tiến trình có thời gian sử dụng CPU còn lại < q 
thì tiến trình sẽ giải phóng CPU khi kết thúc và
không có mặt trong ready queue. Trình lập lịch sẽ
chọn tiến trình kế tiếp trong ready queue.
 Nếu tiến trình có thời gian sử dụng CPU còn lại > q 
thì bộ định thời (timer) sẽ đếm lùi và gây ngắt HĐH 
khi nó = 0. Việc chuyển ngữ cảnh được thực hiện 
để chuyển điều khiển CPU cho tiến trình ở đầu 
hàng đợi, và tiến trình hiện tại được đưa xuống cuối 
ready queue.
21
3
4
56
7
8
Có n tiến trình thì t 
đợi tối đa là (n-1)*q
Ex: 8 tiến trình, 
q=10 thì t Max=70 
(Hình trên)
4-Jun-14 TT. QTM 20
3.5. Giải thuật Round-Robin 
(RR)(2): q=4
 Biểu đồ Gantt:
 T/gian chờ đợi trung bình = (4 + 7 + 6)/3 = 5.67
4-Jun-14 TT. QTM 21
3.6. Lập lịch hàng đợi đa mức
Multilevel Queue(1)
 Ý tưởng: chia ready queue thành nhiều queue, các tiến 
trình trên cùng queue có cùng độ ưu tiên
 Phổ biến:
 foreground (chứa các interactive process) 
 background (chứa các batch process)
 Mỗi hàng đợi có giải thuật lập lịch riêng:
 foreground – RR
 background – FCFS
 Phải có sự lập lịch giữa các queue:
 Lập lịch với mức ưu tiên cố định; vd: phục vụ tất cả tiến trình từ
foreground, tiếp theo từ background (có thể xảy ra starvation).
 Phân chia thời gian: mỗi queue nhận được một lượng thời gian 
CPU nào đó mà nó có thể lập lịch các tiến trình của nó.
 vd: 80% cho foreground và 20% cho background queue
4-Jun-14 TT. QTM 22
3.6. Lập lịch hàng đợi đa mức
Multilevel Queue(1)
New
Process
Ready List0
Ready List1
Ready List2
Ready List3
Scheduler CPU
Preemption or Voluntary Yield
Done
4-Jun-14 TT. QTM 23
3.6. Lập lịch hàng đợi đa mức
Multilevel Queue(2)
 Tiến trình trong queue 
có mức ưu tiên thấp 
hơn chỉ có thể chạy 
khi các queue có mức 
ưu tiên cao hơn rỗng.
 Tiến trình có mức ưu 
tiên cao hơn khi vào
ready queue không 
ảnh hưởng đến tiến 
trình đang chạy có
mức ưu tiên thấp hơn.
 Tiến trình mức ưu tiên 
thấp có thể đói CPU
4-Jun-14 TT. QTM 24
3.7. Hàng đợi phản hồi đa mức 
Multilevel Feedback Queue(1)
 Hạn chế của multilevel queue:
 Không linh động(một tiến trình không thể di 
chuyển giữa các hàng đợi)
 Dễ xảy ra trường hợp đói CPU
 Multilevel Feedback Queue:
 Tiến trình có thể di chuyển giữa các queue
 Tiến trình sử dụng nhiều CPU burst có thể di 
chuyển từ hàng đợi có mức ưu tiên cao xuống 
hàng đợi có mức ưu tiên thấp hơn
4-Jun-14 TT. QTM 25
3.7. Hàng đợi phản hồi đa mức 
Multilevel Feedback Queue(2)
 Ví dụ: có 3 queue:
 Q0 – RR, thời gian định lượng 8 ms
 Q1 – RR, thời gian định lượng 16 ms
 Q2 – FCFS
 Lập lịch:
 Một tiến trình vào queue Q0 và được phục vụ RR. Khi nó giành 
được CPU, tiến trình nhận được 8 ms. Nếu nó không hoàn thành 
trong 8 ms, tiến trình được chuyển tới queue Q1.
 Tại Q1 tiến trình tiếp tục được phục vụ RR với 16 ms nữa. Nếu nó
vẫn chưa hoàn thành thì nó được ưu tiên và được chuyển đến 
queue Q2.
4-Jun-14 TT. QTM 26
3.8. Điều phối Lottery(xổ số)
 Nguyên tắc : 
 Ý tưởng chính của giải thuật là phát hành một 
số vé số và phân phối cho các tiến trình trong 
hệ thống. 
 Khi đến thời điểm ra quyết định điều phối, sẽ
tiến hành chọn 1 vé "trúng giải", tiến trình 
nào sỡ hữu vé này sẽ được nhận CPU(chọn 
ngẫu nhiên)
4-Jun-14 TT. QTM 27
4. Lập lịch multiprocessor
 Lập lịch CPU khi có nhiều processor phức tạp hơn nhiều
 Các loại processor trong multiprocessor
 Đồng nhất (Homogeneous): tất cả có cùng kiến trúc.
 Không đồng nhất (Heterogeneous): một số tiến trình có thể không 
tương thích với kiến trúc của các CPU.
 Cân bằng tải (Load balancing/sharing): một ready queue cho tất 
cả các processor, CPU nhàn rỗi được gán cho tiến trình ở đầu 
queue(tránh trường hợp 1 CPU quá tải-ready queue gắn với nó
liên tục đầy trong khi các ready queue gắn với các CPU khác có
thể luôn rỗng).
 Đa xử lý không đối xứng - Asymmetric multiprocessing: chỉ một 
processor (master processor) truy nhập các cấu trúc dữ liệu hệ
thống, làm giảm sự chia sẻ dữ liệu; có thể gây hiệu ứng thắt cổ
chai khi processor master(CPU master) phải thực hiện quá nhiều 
việc.
4-Jun-14 TT. QTM 28
5. Lập lịch thời gian thực
 Hard real-time systems – yêu cầu hoàn thành một tác vụ 
găng (critical task) trong thời gian được đảm bảo.
 Resource reservation: khi tiến trình được gửi đến cùng với lệnh 
cho biết thời gian cần thiết của nó, trình lập lịch có thể chấp nhận 
và đảm bảo nó sẽ kết thúc đúng hạn, hoặc từ chối tiến trình.
 Soft real-time computing – yêu cầu các tiến trình găng 
nhận mức ưu tiên lớn hơn các tiến trình non real-time.
 Có thể phân phối tài nguyên không hợp lý, thời gian trễ lâu, 
starvation. → phải cẩn thận trong thiết kế trình lập lịch và các khía 
cạnh liên quan của HĐH:
 Lập lịch có ưu tiên, các tiến trình thời gian thực có mức ưu tiên cao 
nhất và phải không giảm theo thời gian
 Trễ điều vận (dispatch latency) phải nhỏ.
4-Jun-14 TT. QTM 29
6. Lựa chọn giải thuật
 Chọn giải thuật lập lịch CPU nào cho hệ thống cụ thể?
 Trước tiên, xác định sử dụng tiêu chuẩn nào? Ví dụ:
 Tối đa CPU utilization với ràng buộc response time lớn nhất là 1s
 Tối đa throughput để turnaround time là tỷ lệ tuyến tính với thời gian thực 
hiện
 1. Phân tích hiệu năng của từng giải thuật đối với các tiến trình
 2. Sử dụng chuẩn hàng đợi: công thức Little: n = λ x W
 n: độ dài queue trung bình
 W: thời gian chờ đợi trung bình trong queue
 λ: tốc độ đến queue của tiến trình (số tiến trình/giây)
 3. Mô phỏng: lập trình mô hình hệ thống để đánh giá
 4. Thực hiện: đặt giải thuật cụ thể trong hệ thống thực để đánh giá
4-Jun-14 TT. QTM 30
Q & A
 …