Ein UNIX-Scheduler ist eine Kernkomponente des Betriebssystems, die für die effiziente Verwaltung und Ausführung verschiedener Prozesse verantwortlich ist. Seine Hauptaufgabe besteht darin, Prozessen CPU-Zeit zuzuweisen und so eine faire und optimale Nutzung der Systemressourcen sicherzustellen. Der Scheduler arbeitet mit der Speicherverwaltungseinheit (MMU) und der CPU zusammen, um die Planung und Ausführung von Prozessen in einer Multitasking-Umgebung zu verwalten.

Wie funktioniert ein UNIX-Scheduler?

In UNIX-Systemen sind Prozesse Entitäten, die laufende Programme darstellen. Jeder Prozess verfügt über einen eigenen Satz an Anweisungen, Daten und Ressourcen und benötigt zur Ausführung CPU-Zeit. Das Ziel des Planers besteht darin, unter Berücksichtigung verschiedener Kriterien wie Priorität, Ressourcenanforderungen, Fairness und Systemleistung zu bestimmen, welcher Prozess zu einem bestimmten Zeitpunkt ausgeführt werden soll.

Der Planungsprozess umfasst normalerweise die folgenden Schritte:

1. Prozessübermittlung :Wenn ein neuer Prozess erstellt oder an das System übermittelt wird, wird er zur Warteschlange des Planers oder zur Liste der auf Ausführung wartenden Prozesse hinzugefügt.

2. Auswahl des Planungsalgorithmus :Der Planer wählt einen Planungsalgorithmus, um die Reihenfolge zu bestimmen, in der Prozesse ausgeführt werden. Zu den gängigen Planungsalgorithmen gehören:

- Wer zuerst kommt, mahlt zuerst (FCFS) :Prozesse werden in der Reihenfolge ihres Eingangs ausgeführt, ohne Berücksichtigung ihrer Prioritäten.

- Round Robin (RR) :Jedem Prozess wird eine feste Zeitscheibe (Quantum) zugewiesen. Wenn ein Prozess seine Zeitscheibe überschreitet, wird er vorbelegt und am Ende der Warteschlange platziert.

- Shortest Job First (SJF) :Prozesse werden in der Reihenfolge ihrer geschätzten Ausführungszeit ausgeführt, wobei kürzeren Jobs Vorrang eingeräumt wird.

- Prioritätsplanung: Den Prozessen werden Prioritäten zugewiesen und Prozesse mit höherer Priorität werden zuerst ausgeführt.

- Mehrstufige Feedback-Warteschlangen: Prozesse werden je nach Priorität oder Ressourcenbedarf in mehrere Warteschlangen unterteilt, wobei auf jede Warteschlange unterschiedliche Planungsalgorithmen angewendet werden.

3. Prozessauswahl :Der Planer wählt den nächsten auszuführenden Prozess aus der Warteschlange gemäß dem gewählten Planungsalgorithmus aus. Jobs mit höherer Priorität oder kürzerer Zeit können zuerst ausgewählt werden, oder Prozesse können im Round-Robin-Verfahren ausgeführt werden, um Fairness zu gewährleisten.

4. Prozessausführung :Der ausgewählte Prozess wird in die CPU geladen und beginnt mit der Ausführung. Der Vorgang läuft weiter, bis er abgeschlossen ist oder bis ein Prozess mit höherer Priorität ausgeführt werden muss.

5. Prozessvorbehalt (falls zutreffend) :Wenn ein Prozess mit höherer Priorität eintrifft oder zur Ausführung bereit wird, während ein anderer Prozess ausgeführt wird, kann der Scheduler den laufenden Prozess unterbrechen und zum Prozess mit höherer Priorität wechseln.

6. Kontextwechsel :Wenn der Scheduler zwischen Prozessen wechselt, führt er einen Kontextwechsel durch, speichert den Status (CPU-Register, Speicherzeiger usw.) des aktuellen Prozesses und lädt den Status des nächsten Prozesses.

7. Lastausgleich :Der Planer berücksichtigt Faktoren wie Ressourcennutzung und Fairness, um die Arbeitslast auf mehrere CPUs oder Kerne in Multiprozessorsystemen zu verteilen.

Der Scheduler überwacht kontinuierlich das System und trifft dynamische Planungsentscheidungen basierend auf dem Status der Prozesse, der Ressourcenverfügbarkeit und Leistungsmetriken. Sein Ziel besteht darin, einen hohen Systemdurchsatz (Ausführung möglichst vieler Prozesse), eine niedrige Latenz (Minimierung der Zeit, die ein Prozess zur Ausführung benötigt) und Fairness zwischen Prozessen zu erreichen.

Verschiedene Planer können in verschiedenen UNIX-ähnlichen Systemen implementiert oder ausgewählt werden, und Planungsalgorithmen können geändert oder angepasst werden, um bestimmte Leistungs- und Systemanforderungen zu erfüllen. Die richtige Planung ist entscheidend für eine effiziente Ressourcennutzung, Reaktionsfähigkeit und Gesamtsystemleistung.