Trong môi trường đa chương, có thể xảy ra tình huống nhiều tiến trình đồng thời sẵn sàng để xử lý. Mục tiêu của các hệ phân chia thời gian là chuyển đổi CPU qua lại giữa các tiến trình một cách thường xuyên để nhiều người sử dụng có thể tương tác cùng lúc với từng chương trình trong quá trình xử lý. Để thực hiện được mục tiêu này, hệ điều hành phải lựa chọn tiến trình được xử lý tiếp theo. Bộ điều phối sẽ sử dụng một giải thuật điều phối (chiến lược điều phối) thích hợp để thực hiện nhiệm vụ này nhằm đưa ra sự công bằng, tính hiệu quả, thời gian đáp ứng hợp lí, thời gian lưu lại trong hệ thống hợp lí.
ƯU NHƯỢC ĐIỂM CÁC CHIẾN LƯỢC ĐIỀU PHỐI CPU
ThS. Cao Thị Bích Liên, GV khoa Công nghệ thông tin
- Đặt vấn đề
Trong bài viết này sẽ trình bày về chiến lược một hàng đợi nhiều tiến trình chờ phân phối xử lý. Trong chiến lược một hàng đợi này có 4 thuật toán chính FIFO, SJF, RR, Thuật toán ưu tiên.
- Nội dung nghiên cứu
- First In First Out (FIFO)
Trong thuật toán này, độ ưu tiên phục vụ tiến trình căn cứ vào thời điểm hình thành tiến trình. Hàng đợi các tiến trình được tổ chức theo kiểu FIFO. Mọi tiến trình đều được phục vụ theo trình tự xuất hiện cho đến khi kết thúc hoặc bị ngắt.
- Ưu điểm của thuật toán này là giờ CPU không bị phân phối lại (không bị ngắt) và chi phí thực hiện thấp nhất (vì không phải thay đổi thứ tự ưu tiên phục vụ, thứ tự ưu tiên là thứ tự của tiến trình trong hàng đợi).
- Nhược điểm của thuật toán là thời gian trung bình chờ phục vụ của các tiến trình là như nhau (không kể tiến trình ngắn hay dài), do đó dẫn tới ba điểm sau:
- Thời gian chờ trung bình sẽ tăng vô hạn khi hệ thống tiếp cận tới hạn khả năng phục vụ của mình.
- Nếu độ phát tán thời gian thực hiện tiến trình tăng thì thời gian chờ đợi trung bình cũng tăng theo
- Khi có tiến trình dài, ít bị ngắt thì các tiến trình khác phải chờ đợi lâu hơn.
Ví dụ:
| Tiến trình | Thời điểm vào | Thời gian xử lí |
| P1 | 0 | 24 |
| P2 | 1 | 3 |
| P3 | 2 | 3 |
Thứ tự cấp phát tiến trình:
| Tiến trình | P1 | P2 | P3 |
| Thời điểm | 0 | 24 | 27/30 |
Thời gian chờ trung bình: (0+23+25)/3=16 milliseconds.
- Round robin (RR)
Giải thuật định thời luân phiên (round-robin scheduling algorithm-RR) được thiết kế đặc biệt cho hệ thống chia sẻ thời gian. Tương tự như định thời FIFO nhưng sự trưng dụng CPU được thêm vào để chuyển CPU giữa các quá trình. Đơn vị thời gian nhỏ được gọi là định mức thời gian (time quantum) hay phần thời gian (time slice) được định nghĩa. Hàng đợi sẵn sàng được xem như một hàng đợi vòng. Bộ định thời CPU di chuyển vòng quanh hàng đợi sẵn sàng, cấp phát CPU tới mỗi quá trình có khoảng thời gian tối đa bằng một định mức thời gian. Để cài đặt định thời RR, chúng ta quản lý hàng đợi sẵn sàng như một hàng đợi FIFO của các quá trình. Các quá trình mới được thêm vào đuôi hàng đợi. Bộ định thời CPU chọn quá trình đầu tiên từ hàng đợi sẵn sàng, đặt bộ đếm thời gian để ngắt sau 1 định mức thời gian và gởi tới quá trình. Sau đó, một trong hai trường hợp sẽ xảy ra. Quá trình có 1chu kỳ CPU ít hơn 1 định mức thời gian. Trong trường hợp này, quá trình sẽ tự giải phóng. Sau đó, bộ định thời biểu sẽ xử lý quá trình tiếp theo trong hàng đợi sẵn sàng. Ngược lại, nếu chu kỳ CPU của quá trình đang chạy dài hơn 1 định mức thời gian thì độ đếm thời gian sẽ báo và gây ra một ngắt tới hệ điều hành. Chuyển đổi ngữ cảnh sẽ được thực thi và quá trình được đặt trở lại tại đuôi của hàng đợi sẵn sàng. Sau đó, bộ định thời biểu CPU sẽ chọn quá trình tiếp theo trong hàng đợi sẵn sàng.
- Ưu điểm:
- Các quá trình sẽ được luân phiên cho CPU xữ lý nên thời gian chờ đợi sẽ ít.
- Đối với các quá trình liên quan đến nhập xuất, IO, người dùng thì rất hiệu quả.
- Việc cài đặt không quá phức tạp
- Nhược điểm:
- Thời gian chờ đợi trung bình dưới chính sách RR thường là quá dài.
- Nếu thời gian định mức cho việc xữ lý quá lớn thì RR thành FIFO
- Nếu thời gian quá ngắn so với thời gian xữ lý của một tiến trình trong danh sách hàng đợi thì việc chờ đợi và xữ lý luân phiên sẽ nhiều.
- Qui tắc là định mức thời gian nên dài hơn 80% chu kỳ CPU.
Ví dụ:
| Tiến trình | thời điểm vào | thời gian xử lý |
| P1 | 0 | 24 |
| P2 | 1 | 3 |
| P3 | 2 | 3 |
Quantum = 4 milliseconds
Thì thứ tự cấp processor cho các tiến trình lần lượt là:
| Tiến trình | P1 | P2 | P3 | P1 | P1 | P1 | P1 | P1 | P1 |
| Thời điểm | 0 | 4 | 7 | 10 | 14 | 18 | 22 | 26 | 30 |
Vậy thời gian chờ đợi trung bình sẽ là: (0+6+3+5)/3 = 4,67 milliseconds. Như vậy RR có thời gian chờ đợi trung bình nhỏ hơn so với FIFO
- Shortest Job First (SJF)
Một tiếp cận khác đối với việc định thời CPU là giải thuật định thời công việc ngắn nhất trước (shortest-job-first-SJF). Giải thuật này gán tới mỗi quá trình chiều dài của chu kỳ CPU tiếp theo cho quá trình sau đó. Khi CPU sẵn dùng, nó được gán tới quá trình có chu kỳ CPU kế tiếp ngắn nhất. Nếu hai quá trình có cùng chiều dài chu kỳ CPU kế tiếp, định thời FIFO được dùng. Chú ý rằng thuật ngữ phù hợp hơn là chu kỳ CPU kế tiếp ngắn nhất (shortest next CPU burst) vì định thời được thực hiện bằng cách xem xét chiều dài của chu kỳ CPU kế tiếp của quá trình hơn là toàn bộ chiều dài của nó. Chúng ta dùng thuật ngữ SJF vì hầu hết mọi người và mọi sách tham khảo tới nguyên lý của loại định thời biểu này như SJF.
- Ưu điểm:
- Giải thuật được xem là tối ưu, thời gian chờ đợi trung bình giảm
- Tận dụng hết năng lực của CPU
- Nhược điểm:
- Cài đặt thuật toán phức tạp, tốn nhiều xữ lý cho quá trình quản lý.
- Mặc dù SJF là tối ưu nhưng nó không thể được cài đặt tại cấp định thời CPU ngắn vì không có cách nào để biết chiều dài chu kỳ CPU tiếp theo.
- Giải thuật SJF có thể trưng dụng hoặc không trưng dụng CPU, dẫn tới giải thuật này có nhiều dị bản khác nhau và sẽ tối ưu hay không tối ưu phụ thuộc vào trưng dụng CPU.
- Shortest Remain Time (SRT)
Tương tự như SJF nhưng trong thuật toán này, độ ưu tiên thực hiện các tiến trình dựa vào thời gian cần thiết để thực hiện nốt tiến trình (bằng tổng thời gian trừ đi thời gian đã thực hiện). Như vậy, trong thuật toán này cần phải thường xuyên cập nhật thông tin về giời gian đã thực hiện của tiến trình. Đồng thời, chế độ phân bổ lại giờ CPU cũng phải được áp dụng nếu không sẽ làm mất tình ưu việc của thuật toán.
- Ưu điểm:
- Thời gian chờ đợi, tồn tại trong hệ thống của mỗi tiến trình đều ngắn
- Thuật toán tối ưu nhất
- Nhược điểm:
- Việc cài đặt thuật toán khá phức tạp
- Cần quản lý chặt chẽ việc điều phối các tiến trình
- Quản lý thời gian đến của mỗi tiến trình
III. Kết luận
Như vậy, tùy thuộc vào từng bài toán cụ thể ta có thể áp dụng chiến lược điều phối nào cho các tiến trình nhằm đưa lại thời gian chờ đợi để được xử lý của các tiến trình một cách nhanh nhất.
C. Tài liệu tham khảo
[1]. Hồ Đắc Phương (2010), Nguyên lý hệ điều hành, NXB Giáo dục. [2]. Từ Minh Phương (2013), Giáo trình hệ điều hành, NXB, Học viện công nghệ Bưu chính Viễn thông. [3]. Nguyễn Kim Tuấn (2014), Giáo trình lý thuyết hệ điều hành, NXB ĐHQGHN. [4]. Hà Quang Thụy (2009), Giáo trình Nguyên lý hệ điều hành, NXB Khoa học và kỹ thuật