Threads e Escalonamento de CPU: Resumo com Tipos e Algoritmos

Resumo

O documento apresenta os conceitos de threads, suas vantagens e os tipos existentes (espaço usuário e espaço núcleo). Em seguida, trata do escalonamento de CPU, incluindo o papel do escalonador e do dispatcher, os critérios de escalonamento e os principais algoritmos, como SJF, prioridade, Round Robin e filas múltiplas.

Pontos-chave

Threads são miniprocessos que compartilham o espaço de endereçamento, são mais rápidos de criar e destruir e permitem comunicação por memória compartilhada.
Threads no espaço usuário são rápidas e não exigem o núcleo, mas o bloqueio de uma thread bloqueia todo o processo.
Threads no espaço núcleo permitem multiprocessamento real e o bloqueio de uma thread não bloqueia o processo, porém têm maior overhead por mudança de modo.
O escalonador de CPU seleciona um processo pronto para execução e decide quando ocorrem as trocas entre estados de execução, espera, pronto e término.
Escalonamento preemptivo permite interromper o processo, enquanto o não-preemptivo não o interrompe.
O algoritmo SJF escalona o processo com menor tempo de surto; a prioridade pode causar starvation, resolvido com aging.
Round Robin atribui um time quantum a cada processo e, ao fim dele, o processo vai para o fim da fila.

Teste-se

Threads

Divisão dos processos em partes menores.
Execução concorrente.
Estruturas de dados similares ao bloco de controle do processo.
Miniprocessos menos complexos.
Podem ser definidos no código do programa.

Uso dos Threads

Compartilhamento de espaço de endereçamento.
Ideia de processos paralelos.
Maior exploração do paralelismo por máquinas multiprocessadores.
Mais fáceis e rápidos de serem criados e executados:
- Aumento do número de atividades executadas.
- Diminuição do tempo de resposta.
- Associação de threads a dispositivos de entrada e saída.
Sobreposição de operações de I/O e computação.
Vantagens:
- Tempo de criação e destruição de threads é inferior ao de um processo.
- Chaveamento de contexto entre threads é mais rápido.
- Permite comunicação por memória compartilhada sem interação com o núcleo.

Tipos de Threads

Threads no espaço usuário: Suportados pela aplicação (bibliotecas), mais rápidos, dispensam o núcleo e evitam mudança de modo. O bloqueio de uma thread bloqueia o processo.
Threads no espaço núcleo: Suportados pelo S.O., permitem multiprocessamento real. O bloqueio de uma thread não bloqueia o processo, porém possuem maior overhead devido à mudança de modo.

Escalonamento de CPU

A utilização máxima da CPU é obtida através da multiprogramação. A execução de um processo consiste na alternância entre um ciclo de execução de CPU e um ciclo de espera de I/O.

Escalonador de CPU

Seleciona um processo na memória pronto para execução. Decisões ocorrem quando um processo:

Passa de execução para espera.
Passa de execução para pronto.
Passa de espera para pronto.
Termina.

Não-preemptivos: O processo não é interrompido (ex: Windows 3.x).
Preemptivos: O processo pode ser interrompido (ex: Unix).

Dispatcher

Módulo que dá o controle da CPU ao processo selecionado. Envolve mudança de contexto, mudança para modo usuário e reinício do programa. A latência de dispatch é o tempo necessário para essa troca.

Critérios de Escalonamento

Utilização de CPU;
Throughput (processos por unidade de tempo);
Tempo de retorno;
Tempo de espera;
Tempo de resposta.

Algoritmos de Escalonamento

SJF (Shortest Job First): Escalona o processo com o menor tempo de surto. Pode ser preemptivo (SRTF) ou não-preemptivo.
Por Prioridade: CPU alocada para o processo com maior prioridade. Problema: Starvation. Solução: Aging (envelhecimento).
Round Robin (RR): Cada processo recebe um time quantum. Após o tempo, vai para o fim da fila.
Filas Múltiplas: Particiona a fila de prontos (ex: interativo vs. batch) com algoritmos distintos para cada uma.
Filas Múltiplas com Realimentação: Permite que processos transitem entre filas, facilitando a implementação de prioridades dinâmicas e envelhecimento.

Perguntas frequentes

Qual a diferença entre threads no espaço usuário e no espaço núcleo?

Threads no espaço usuário são suportadas por bibliotecas da aplicação, são mais rápidas e não usam o núcleo, mas o bloqueio de uma thread bloqueia o processo. Threads no espaço núcleo são suportadas pelo S.O., permitem multiprocessamento real e o bloqueio de uma não bloqueia o processo, mas têm maior overhead.

O que é starvation no escalonamento por prioridade e como resolver?

Starvation ocorre quando um processo de baixa prioridade nunca recebe a CPU. A solução apontada no texto é o aging (envelhecimento), que aumenta gradualmente a prioridade dos processos que esperam.

O que é o Round Robin?

No Round Robin, cada processo recebe um time quantum de CPU. Quando esse tempo termina, o processo vai para o fim da fila de prontos.