محمود عباس، مهندس برمجيات Full-stack والذكاء الاصطناعي

نظم التشغيل 1، الدرس العملي 7

جدولة المعالج: تمارين ومحاكاة بلغة C#

مجموعة واحدة من العمليات وست خوارزميات جدولة: ابن كل مخطط جانت يدويا، ثم دع برنامجا بلغة C# يتحقق من حلك.

الأهداف

بناء مخطط جانت (Gantt chart) لخوارزميات FCFS وSJF وSRTF والأولوية (priority) والتناوب الدائري (Round Robin)، قرارا بعد قرار
حساب CT وTAT وWT لكل عملية (process)، ومتوسطاتها
تطبيق قواعد كسر التعادل (tie rules): تساوي الوصول، وتساوي زمن التنفيذ، وتساوي الأولوية، وترتيب طابور التناوب الدائري
قياس الكفاءة (efficiency) عندما يكلف كل إسناد (dispatch) للمعالج (CPU) وحدة واحدة من الكلفة الإضافية (overhead)
شرح التجويع (starvation) والتقادم (aging)، والطوابير متعددة المستويات (multilevel queue) وذات التغذية الراجعة (feedback)
قراءة محاكاة بلغة C# تعيد إنتاج كل مخطط، وتشغيلها

الجزء 1

الأدوات الأساسية

مخطط واحد، وثلاث صيغ، وبضع قواعد

قراءة مخطط جانت

مثال FCFS من المحاضرة: تصل P3 عند 0، وP1 عند 4، وP5 عند 5، وP2 وP4 عند 6

text

| P3 | idle |   P1  |  P5 |  P2 | P4 |
0    3      4       9     13    17   19

كل خانة هي عملية واحدة تشغل المعالج؛ والأرقام تحت الحدود هي أزمنة الساعة
idle (الخمول): لا توجد عملية جاهزة، فينتظر المعالج الوصول التالي (من 3 إلى 4)
زمن الاكتمال (completion time, CT) لعملية ما هو الحافة اليمنى لآخر خانة لها

ثلاث صيغ واختصار

TAT = CT - AT

WT = TAT - BT

WT = S - R - AT

الرمز	المعنى
`S`	بداية آخر خانة للعملية في المخطط
`R`	الزمن الذي عملته العملية قبل تلك الخانة
`Σ`	مجموع عمود، فيكون `ΣTAT / n` متوسط TAT لعدد `n` من العمليات

قواعد كسر التعادل

تساوي زمن الوصول: تبدأ العملية ذات المعرف (ID) الأصغر
تساوي زمن التنفيذ أو تساوي الأولوية: نرجع إلى FCFS، فتبدأ العملية الأسبق وصولا
أرقام الأولوية: اقرأ السؤال. تستخدم أمثلة المحاضرة الاصطلاحين الأصغر = الأعلى والأكبر = الأعلى
الاستباقية: لا تأخذ العملية الجديدة المعالج إلا إذا كانت أفضل تماما؛ وعند التعادل تحتفظ به العملية الجارية
التناوب الدائري: العملية التي تصل في اللحظة نفسها التي تنتهي فيها شريحة زمنية تدخل الطابور قبل العملية التي انتزع منها المعالج

المجموعة A: مدخل واحد لكل الخوارزميات

العملية	AT	BT	الأولوية
P1	0	8	4
P2	2	3	5
P3	3	4	2
P4	4	2	1
P5	6	7	3

الجزء 2

FCFS وSJF

غير استباقية (non-preemptive): متى حصلت العملية على المعالج احتفظت به حتى تنتهي

FCFS: تأثير القافلة

ثلاث عمليات تصل عند 0 بأزمنة تنفيذ 18، 3، 3. توقع متوسط زمن الانتظار لكل ترتيب.

الترتيب	أزمنة الانتظار	متوسط WT
P1, P2, P3	0, 18, 21	13
P2, P3, P1	0, 3, 6	3

FCFS على المجموعة A

نخدم بحسب الوصول تماما: P1 عند 0، وP2 عند 2، وP3 عند 3، وP4 عند 4، وP5 عند 6

text

|     P1    | P2 |  P3 | P4 |    P5   |
0           8    11    15   17        24

FCFS على المجموعة A: الجدول

العملية	CT	TAT = CT - AT	WT = TAT - BT
P1	8	8 - 0 = 8	8 - 8 = 0
P2	11	11 - 2 = 9	9 - 3 = 6
P3	15	15 - 3 = 12	12 - 4 = 8
P4	17	17 - 4 = 13	13 - 2 = 11
P5	24	24 - 6 = 18	18 - 7 = 11

∑ TAT5 = 605 = 12 ∑ WT5 = 365 = 7.2

الكفاءة مع الكلفة الإضافية للجدولة

ترتيب FCFS نفسه، لكن كل إسناد للمعالج يكلف أولا وحدة زمنية مقدارها 1 (del)

text

| del |   P1   | del | P2 | del | P3 | del | P4 | del |   P5  |
0     1        9     10   13    14   18    19   21    22      29

η = T - DT = 29 - 529 = 82.76%

SJF (غير الاستباقية): الاختيار عند t = 8

تعمل P1 من 0 إلى 8 دون توقف. من ينتظر عند 8، وبأي ترتيب؟

العملية	BT	ترتيب التنفيذ
P4	2	1
P2	3	2
P3	4	3
P5	7	4

text

|     P1    | P4 | P2 |  P3 |    P5   |
0           8    10   13    17        24

SJF على المجموعة A: الجدول

العملية	CT	TAT = CT - AT	WT = TAT - BT
P1	8	8 - 0 = 8	8 - 8 = 0
P2	13	13 - 2 = 11	11 - 3 = 8
P3	17	17 - 3 = 14	14 - 4 = 10
P4	10	10 - 4 = 6	6 - 2 = 4
P5	24	24 - 6 = 18	18 - 7 = 11

∑ TAT5 = 575 = 11.4 ∑ WT5 = 335 = 6.6

SRTF على المجموعة A: من t = 0 إلى 5

SJF الاستباقية: عند كل وصول، قارن بين زمن تنفيذ العملية الجديدة والزمن المتبقي (remaining time) للعملية الجارية

الزمن	الحدث	القرار
0	تصل P1 (8)	تعمل P1
2	تصل P2 (3)؛ والمتبقي من P1 هو 6	3 < 6: تنتزع P2 المعالج من P1
3	تصل P3 (4)؛ والمتبقي من P2 هو 2	تحتفظ P2 بالمعالج
4	تصل P4 (2)؛ والمتبقي من P2 هو 1	2 ليس أقل من 1: تحتفظ P2 به
5	تنتهي P2	المتبقي: P1 6، P3 4، P4 2: تعمل P4

SRTF على المجموعة A: من t = 6 إلى 24

الزمن	الحدث	القرار
6	تصل P5 (7)؛ والمتبقي من P4 هو 1	تحتفظ P4 بالمعالج
7	تنتهي P4	P1 6، P3 4، P5 7: تعمل P3
11	تنتهي P3	P1 6، P5 7: تعمل P1
17	تنتهي P1	تعمل P5 حتى `24`

text

| P1 | P2 | P4 |  P3 |   P1   |    P5   |
0    2    5    7     11       17        24

SRTF: زمن الانتظار بالاختصار

اقرأ كل زمن انتظار من المخطط مباشرة: آخر بداية - الزمن المنفذ قبلها - AT

العملية	آخر بداية - المنفذ قبلها - AT	WT
P1	11 - 2 - 0	9
P2	2 - 0 - 2	0
P3	7 - 0 - 3	4
P4	5 - 0 - 4	1
P5	17 - 0 - 6	11

∑ TAT5 = 495 = 9.8 ∑ WT5 = 255 = 5

الجزء 3

الأولوية والتناوب الدائري

من الأهم، ومن انتظر بما يكفي

جدولة الأولوية: القواعد

لكل عملية أولوية؛ ويذهب المعالج إلى العملية الجاهزة ذات الأولوية الأعلى
الأولويات المتساوية: FCFS
غير الاستباقية: تنتظر العملية الجديدة الأفضل على رأس طابور الجاهزية (ready queue)
الاستباقية: تأخذ العملية الجديدة الأفضل المعالج فورا
SJF خوارزمية أولوية، أولويتها هي زمن التنفيذ التالي (المتنبأ به) على المعالج

الأولوية (غير الاستباقية) على المجموعة A

تعمل P1 (الأولوية 4) من 0 إلى 8؛ وتصل P3 (2) وP4 (1) في أثناء ذلك وعليهما الانتظار

text

|     P1    | P4 |  P3 |    P5   | P2 |
0           8    10    14        21   24

∑ WT5 = 0 + 19 + 7 + 4 + 85 = 385 = 7.6

الأولوية (الاستباقية) على المجموعة A: القرارات

الزمن	الحدث	القرار
2	تصل P2 (الأولوية 5)	أسوأ من P1 (4): تستمر P1
3	تصل P3 (2)	أفضل من P1 (4): تنتزع P3 المعالج من P1
4	تصل P4 (1)	أفضل من P3 (2): تنتزع P4 المعالج من P3
6	تنتهي P4؛ وتصل P5 (3)	أفضل عملية منتظرة: P3 (2)
9	تنتهي P3	ثم P5 (3)، ثم P1 (4)، ثم P2 (5)

الأولوية (الاستباقية): المخطط

توقع المخطط من القرارات، ثم زمن انتظار كل عملية

text

| P1 | P3 | P4 | P3 |    P5   |   P1  | P2 |
0    3    4    6    9         16      21   24

∑ TAT5 = 615 = 12.2 ∑ WT5 = 375 = 7.4

التجويع والتقادم

لـP2 أسوأ أولوية: تنتظر 19 وحدة من أصل 24 في مخططي الأولوية كليهما
ومع تدفق مستمر من عمليات أفضل قد تنتظر إلى الأبد: التجويع (الحجب غير المحدود، indefinite blocking)
التقادم: رفع أولوية العملية كلما طال انتظارها

127 × 15 = 1905 190560 = 31.75

التناوب الدائري: القواعد

طابور الجاهزية طابور من نوع FIFO؛ وتنضم العمليات الجديدة إلى ذيله
تحصل العملية التي على رأس الطابور على المعالج مدة شريحة زمنية واحدة q (time quantum) على الأكثر
تحتاج إلى أقل من الشريحة: تنتهي العملية وتحرر المعالج
انتهت الشريحة: مقاطعة المؤقت (timer interrupt)، ثم تبديل السياق (context switch)، وتذهب العملية إلى الذيل
اللحظة نفسها: تدخل العمليات الواصلة أولا، ثم العملية التي انتزع منها المعالج

التناوب الدائري على المجموعة A: من t = 0 إلى 6

الطابور مكتوب بدءا من رأسه، بعد القرار

الزمن	الحدث	المعالج والطابور
0	تصل P1	تعمل P1؛ والطابور فارغ
2	تصل P2	تعمل P1؛ والطابور P2
3	تصل P3 وتنتهي شريحة P1	تعمل P2؛ والطابور P3, P1
4	تصل P4	تعمل P2؛ والطابور P3, P1, P4
6	تصل P5؛ وتنتهي P2 (احتاجت إلى 3)	تعمل P3؛ والطابور P1, P4, P5

التناوب الدائري على المجموعة A: من t = 9 إلى 24

الزمن	الحدث	المعالج والطابور
9	تنتهي شريحة P3 (المتبقي 1)	تعمل P1؛ والطابور P4, P5, P3
12	تنتهي شريحة P1 (المتبقي 2)	تعمل P4؛ والطابور P5, P3, P1
14	تنتهي P4 (احتاجت إلى 2)	تعمل P5؛ والطابور P3, P1
17	تنتهي شريحة P5 (المتبقي 4)	تعمل P3؛ والطابور P1, P5
18	تنتهي P3	تعمل P1 من `18` إلى `20`، ثم P5 وحدها حتى `24`

التناوب الدائري: المخطط

خانتان لـP5 في النهاية: تنتهي شريحتها عند 23، والطابور فارغ، فيعود إليها المعالج فورا

text

| P1 | P2 | P3 | P1 | P4 | P5 | P3 | P1 | P5 | P5 |
0    3    6    9    12   14   17   18   20   23   24

∑ TAT5 = 675 = 13.4 ∑ WT5 = 435 = 8.6

اختيار الشريحة الزمنية

المجموعة A مرة أخرى، ولا يتغير إلا q

الشريحة الزمنية	متوسط WT	مرات تبديل العملية
1	9.2	20
3	8.6	8
4	6.6	5
8	7.2	4

جربها بنفسك: ابن المخطط وحدة زمنية بعد وحدة

الجزء 4

قارن، ثم تعمق

ست خوارزميات جدولة على مدخل واحد، وجدولة مبنية من الطوابير

جربها بنفسك: المدخل نفسه وست خوارزميات جدولة

جدولة الطوابير متعددة المستويات

عمليات النظام

الأولوية الأعلى

العمليات التفاعلية

عمليات التحرير التفاعلي

العمليات الدفعية (batch)

عمليات الطلاب

الأولوية الأدنى

الطوابير متعددة المستويات بالتغذية الراجعة

Q0

شريحة زمنية 8

لم تنته خلال 8

Q1

شريحة زمنية 16

لم تنته خلال 16

Q2

FCFS

عملية زمن تنفيذها 30 ms: 8 في Q0، و16 في Q1، وآخر 6 في Q2
الاستهلاك الكثير لوقت المعالج ينقل العملية إلى أسفل؛ والانتظار الطويل ينقلها إلى أعلى (التقادم يمنع التجويع)

فحص سريع

أربعة أسئلة بأسلوب الامتحان من مسائل المحاضرة

n مهمة ذات أزمنة تشغيل معروفة على معالج واحد: أي خوارزمية تعطي أقصى إنتاجية (throughput): التناوب الدائري، أم SJF، أم أعلى نسبة استجابة أولا (highest response ratio next)، أم FCFS؟
أي مما يلي غير استباقي: التناوب الدائري، أم FIFO، أم الطوابير متعددة المستويات، أم الطوابير متعددة المستويات بالتغذية الراجعة؟
صواب أم خطأ: قد تسبب SRTF التجويع؛ قد تسبب الجدولة الاستباقية التجويع؛ زمن الاستجابة (response time) في التناوب الدائري أفضل منه في FCFS
تزداد الأولوية مع زمن الانتظار ويعاد تقييمها كل T وحدة؛ وتصل العمليات كلها عند 0 دون إدخال وإخراج (I/O). ما الخوارزمية المكافئة لهذه؟

الجزء 5

محاكاة بلغة C#

دع برنامجا يرسم المخططات نفسها

البيانات: Process وSlice

csharp

public class Process
{
    public string Id { get; }
    public int Arrival { get; }
    public int Burst { get; }
    public int Priority { get; }
    public int Remaining { get; set; }
    public int Completion { get; set; }
    // constructor: Remaining = burst
}

public record Slice(string Id, int Start, int End);

أربعة مدخلات للقراءة فقط من السؤال
Remaining تنقص بمقدار 1 مع كل وحدة زمنية تعمل فيها العملية
Completion (CT) تضبط عندما تصل Remaining إلى 0
Slice هي خانة واحدة في مخطط جانت

محرك واحد لـFCFS وSJF وSRTF والأولوية

csharp

while (done < ps.Count)
{
    var ready = ps.Where(p => p.Arrival <= time && p.Remaining > 0 && p != running)
                  .OrderBy(rank).ThenBy(p => p.Arrival).ThenBy(p => p.Id).ToList();
    if (running == null)
        running = ready.FirstOrDefault();
    else if (preemptive && ready.Count > 0 && rank(ready[0]) < rank(running))
        running = ready[0];
    AddTick(gantt, running?.Id ?? "idle", time, false);
    if (running != null && --running.Remaining == 0)
    {
        running.Completion = time + 1; running = null; done++;
    }
    time++;
}

محرك واحد: معاملان

التناوب الدائري يحتاج إلى طابور حقيقي

csharp

foreach (var p in ps.Where(p => p.Arrival == time).OrderBy(p => p.Id))
    queue.Enqueue(p);                            // 1. new arrivals join first
if (running != null && used == quantum)
{
    queue.Enqueue(running);                      // 2. then the preempted process
    running = null;
}

التناوب الدائري: رأس الطابور يأخذ المعالج

csharp

bool dispatched = false;
if (running == null && queue.Count > 0)
{
    running = queue.Dequeue();                   // 3. the head gets the CPU
    used = 0;
    dispatched = true;
}

شغل البرنامج: وسيط واحد يختار الخوارزمية

csharp

var ps = SetA();
Report.Print("FCFS", ps, Scheduler.Run(ps, p => p.Arrival, false));
ps = SetA();
Report.Print("SJF (non-preemptive)", ps, Scheduler.Run(ps, p => p.Burst, false));
ps = SetA();
Report.Print("SRTF (preemptive SJF)", ps, Scheduler.Run(ps, p => p.Remaining, true));

المخرجات تطابق الحل اليدوي

كتلة SRTF من مخرجات البرنامج. توقعها من مخططنا أولا.

text

=== SRTF (preemptive SJF)
P1 0-2 | P2 2-5 | P4 5-7 | P3 7-11 | P1 11-17 | P5 17-24
P1  AT= 0  BT= 8  CT=17  TAT=17  WT= 9
P2  AT= 2  BT= 3  CT= 5  TAT= 3  WT= 0
P3  AT= 3  BT= 4  CT=11  TAT= 8  WT= 4
P4  AT= 4  BT= 2  CT= 7  TAT= 3  WT= 1
P5  AT= 6  BT= 7  CT=24  TAT=18  WT=11
Average WT = 5.00   Average TAT = 9.80

الجزء 6

تمارين

نحو 30 دقيقة: حل على الورق، ثم تحقق بالأداة التفاعلية أو ببرنامج C#

نحو 6 دقائق

التمرين 1: FCFS مع معالج خامل

العملية	AT	BT
P1	1	4
P2	0	2
P3	3	3
P4	3	1
P5	13	2

التمرين 1: الإجابة

text

| P2 |  P1 | P3 | P4 | idle | P5 |
0    2     6    9    10     13   15

∑ TAT5 = 225 = 4.4 ∑ WT5 = 105 = 2

نحو 8 دقائق

التمرين 2: SRTF

العملية	AT	BT
P1	0	8
P2	2	2
P3	6	5
P4	7	1

التمرين 2: الإجابة

text

| P1 | P2 | P1 | P4 | P1 |   P3  |
0    2    4    7    8    11      16

∑ TAT4 = 244 = 6 ∑ WT4 = 84 = 2

نحو 8 دقائق

التمرين 3: الأولوية الاستباقية

العملية	AT	BT	الأولوية
P1	0	6	3
P2	2	2	5
P3	3	3	2
P4	4	4	1
P5	7	3	4

التمرين 3: الإجابة

text

| P1 | P2 | P1 | P5 | P1 | P3 |  P4 |
0    2    4    7    10   11   14    18

∑ TAT5 = 415 = 8.2 ∑ WT5 = 235 = 4.6

نحو 8 دقائق

التمرين 4: التناوب الدائري، q = 2

العملية	AT	BT
P1	0	3
P2	1	2
P3	4	5

العملية	AT	BT
P4	6	3
P5	7	4
P6	8	2

التمرين 4: الإجابة

text

| P1 | P2 | P1 | P3 | P4 | P5 | P3 | P6 | P4 | P5 | P3 |
0    2    4    5    7    9    11   13   15   16   18   19

∑ TAT6 = 516 = 8.5 ∑ WT6 = 326 = 5.33

أهم النقاط

ارسم مخطط جانت أولا؛ فكل رقم يأتي منه
TAT = CT - AT وWT = TAT - BT؛ وفي المخططات الاستباقية WT = S - R - AT
الخوارزميات غير الاستباقية لا تقرر إلا عندما يتحرر المعالج؛ والاستباقية تقرر من جديد عند كل وصول
تقارن SRTF بالزمن المتبقي؛ ويضع التناوب الدائري العمليات الواصلة قبل العملية التي انتزع منها المعالج
قد تسبب جدولة الأولوية تجويع عملية ما؛ والتقادم يعالج ذلك

افتح هذا الدرس

Mahmoud Abasجدولة المعالج: تمارين ومحاكاة بلغة C#