Selasa, 02 April 2013


ALGORITMA PENJADWALAN



Abstrak
Paper ini membicarakan tentang penjadwalan proses untuk manajemen proses yang mengelola proses-proses yang datang. Penjadwalan proses ini akan menentukan proses mana dulu dan berapa lama proses tersebut akan mendapatkan pelayanan dari CPU. Penjadwalan proses dapat dilakukan dengan beberapa algoritma penjadwalan, dan setiap algoritma memiliki kaunggulannya masing-masing. Algoritma yang dibahas dalam paper ini adalah algoritma penjadwalan Multilevel Queue, Multilevel Feedback Queue dan algoritma penjadwalan Guaranteed yang menerapkan strategi preemptive berdasarkan prioritas dinamis. Selain itu akan dibahas juga algortima penjadwalan Processor Jamak (Multiple Processor Schedulling) sebagai pembanding dengan algoritma penjadwalan yang lain dimana pada penjadwalan ini dibutuhkan dua processor dalam melakukan sebuah penjadwalan pada suatu proses. Dalam paper ini juga akan dijelaskan kelemahan serta kelebihan masing – masing Algoritma Penjadwalan.














I.                   Pendahuluan
           Sekarang ini, perkembangan komputer sudah sangat pesat dan banyak digunakan dalam bidang kehidupan. Seringkali pengguna komputer hanya menggunakan komputer untuk menyelesaikan persoalan yang mereka hadapi tanpa tahu bagaimana computer memprosesnya. Seperti halnya tentang sistem operasi yang merupakan interface antara pengguna dengan perangkat keras computer sehingga kita tidak dirumitkan rincian-rincian pengoperasian perangkat keras.
           Sistem operasi melakukan beragam tugas, salah satu tugas yang paling penting adalah manajemen proses, dimana mengelola semua proses aktif dan mengalokasikan sumber daya ke proses-proses itu sesuai kebijaksanaan yang diambil untuk memenuhi sasaran kinerja. Untuk memutuskan proses yang harus berjalan, kapan dan selama berapa lama proses itu berjalan maka diperlukan suatu teknik penjadwalan yang efektif.
           Ada berbagai macam teknik penjadwalan proses dengan keunggulannya masing-masing dan yang dibahas adalah penjadwalan Multilevel Queue, penjadwalan Multilevel Feedback Queue, dan penjadwalan Guaranteed yang akan dibandingkan dengan teknik penjadwalan yang paling berbeda yaitu penjadwalan Prosessor Jamak (Multiple Processor)
           Tujuan penelitian ini adalah membahas dan menganalisis lebih rinci tentang penjadwalan Multilevel Queue, Multilevel Feedback Queue, penjadwalan Guaranteed, penjadwalan Prosessor Jamak dan perancangan simulasi untuk menggambarkan kinerja teknik penjadwalan tersebut seta mengulas beberapa kelemahan dan keunggulan masing – masing algoritma penjadwalan.

II.                Landasan Teori
Sebagaimana di ketahui Penjadwalan adalah fungsi dasar dari sistem operasi, semua resource komputer di jadwalkan sebelum digunakan.
Penjadwalan CPU adalah pemilihan proses dari Ready Queue untuk dapat di eksekusi. Penjadwalan CPU di dasarkan pada sistem operasi yang menggunakan prinsip Multiprogramming, yaitu beberapa proses berjalan dalam suatu waktu.

Penjadwalan bertugas memutuskan :
a.       Proses yang harus berjalan.
b.      Kapan dan selama berapa lama proses itu berjalan.
Dalam penjadwalan proses, ada pertimbangan untuk menjalankan penjadwalan diantaranya :
1.      Berpindah dari keadaan running ke waiting
2.      Berpindah dari keadaan running ke ready (interrupt)
3.      Berpindah dari waiting ke ready (completion I/O)
4.      Selesai.
Pada saat CPU Idle, sistem operasi harus memilih proses yang ada dalam memori utama (Ready Queue) dan mengalokasikan CPU untuk mengeksekusinya. Setiap proses dalam ready queue harus mengantri sebelum mendapat giliran eksekusi dalam CPU.
Setelah mempelajari konsep dasar algoritma penjadwalan proses ini, mahasiswa di harapkan akan mampu :
a.       Memahami konsep tentang dasar-dasar penjadwalan pada CPU.
b.      Memahami kriteria apa saja yang di perlukan untuk penjadwalan pada CPU.
c.       Memahami beberapa algoritma penjadwalan pada CPU.

III.             Pembahasan
Penjadwalan proses adalah kumpulan kebijasanaan dan mekanisme pada sistem operasi berkenaan dengan urutan kerja yang dilakukan sistem komputer. Penjadwalan bertugas memutuskan proses yang harus berjalan, kapan, dan selama berapa lama proses itu berjalan.
Kriteria – kriteria yang dilakukan untuk mengukur dan optimasi kinerja penjadwalan antara lain:
1.      Adil (fairness)
2.      Efisiensi
3.      Waktu tanggap (response time)
4.      Turn around time
5.      Through put.

A.    Algoritma Penjadwalan
1.         Multilevel Queue Schedulling
Dari gambar di atas terlihat bahwa akan terjadi pengelompokan proses-proses berdasarkan prioritasnya. Dalam hal ini, dapat dilihat bahwa seolah-olah algoritma dengan prioritas yang dasar adalah algoritma multilevel queue dimana setiap queue akan berjalan dengan algoritma First Come First Served (FCFS) yang memiliki banyak kelemahan. Oleh karena itu, dalam prakteknya, algoritma multilevel queue memungkinkan adanya penerapan algoritma internal dalam masing-masing sub-antriannya, yang bisa memiliki algoritma internal yang berbeda untuk meningkatkan kinerjanya. Berawal dari priority scheduling, algoritma ini pun memiliki kelemahan yang sama dengan priority scheduling, yaitu sangat mungkin bahwa suatu proses pada queue dengan prioritas rendah bisa saja tidak mendapat jatah CPU. Untuk mengatasi hal tersebut, salah satu caranya adalah dengan memodifikasi algoritma ini dengan adanya jatah waktu maksimal untuk tiap antrian, sehingga jika suatu antrian memakan terlalu banyak waktu, maka prosesnya akan dihentikan dan digantikan oleh antrian dibawahnya, dan tentu saja batas waktu untuk tiap antrian bisa saja sangat berbeda tergantung pada prioritas masing-masing antrian.


2.      Multilevel Feedback Queue Schedulling
Multilevel feedback queue adalah salah satu algoritma yang berdasar pada algoritma multilevel queue. Perbedaan mendasar yang membedakan multilevel feedback queue dengan multilevel queue biasa adalah terletak pada adanya kemungkinan suatu proses berpindah dari satu antrian ke antrian lainnya, entah dengan prioritas yang lebih rendah ataupun lebih tinggi, misalnya pada contoh berikut:
a.      Semua proses yang baru datang akan diletakkan pada queue 0 ( quantum= 8 ms).
b.      Jika suatu proses tidak dapat diselesaikan dalam 8 ms, maka proses tersebut akan dihentikan dan dipindahkan ke queue 1 ( quantum= 16 ms).
c.       Queue 1 hanya akan dikerjakan jika tidak ada lagi proses di queue 0, dan jika suatu proses di queue 1 tidak selesai dalam 16 ms, maka proses tersebut akan dipindahkan ke queue 2.
d.      Queue 2 akan dikerjakan bila queue 0 dan 1 kosong, dan akan berjalan dengan algoritma FCFS.
Disini terlihat bahwa ada kemungkinan terjadinya perpindahan proses antar queue, dalam hal ini ditentukan oleh time quantum, namun dalam prakteknya penerapan algoritma multilevel feedback queue akan diterapkan dengan mendefinisikan terlebih dahulu parameter-parameternya, yaitu:

a.      Jumlah antrian.
b.      Algoritma internal tiap queue.
c.       Aturan sebuah proses naik ke antrian yang lebih tinggi.
d.      Aturan sebuah proses turun ke antrian yang lebih rendah.
e.      Antrian yang akan dimasuki tiap proses yang baru datang.

3.      Guaranteed Schedulling
Algoritma penjadwalan ini memberikan daya pemroses yang sama untuk membuat dan menyesuaikan kinerja. Algoritma yang memiliki kinerja yang cukup bagus akan menjanjikan kelangsungan yang baik pula. Misalnya ada X pemakai, maka setiap proses atau pemakai akan mendapatkan 1/X dari daya pemroses CPU. Untuk mewujudkannya, system harus selalu menyimpan informasi tentang jumlah waktu CPU untuk semua proses sejak login dan juga harus selalu menyimpan informasi tentang berapa lama pemakai sedang login. System harus tahu berapa CPU time untuk meyakinkan bahwa setiap pengguna mendapatkan jatah waktu menggunakan CPU sesuai haknya dan juga berapa CPU time yang diperlukan oleh setiap proses 1 pengguna serta berapa CPU time yang diperlukan oleh tiap-tiap pengguna.
Misalkan ada 5 pengguna, seperti pada table berikut:
Pengguna
CPU Time
A
5
B
4
C
8
D
1
E
2

Total waktu yang digunakan untuk mengakses kelima pengguna tersebut adalah 20ms, sehingga diharapkan tiap pengguna mendapatkan 20/5=4 ms. Kenyataannya, mulai sejak login sampai saat ini tiap-tiap pengguna telah mendapatkan CPU seperti pada table berikut. Rasio antara CPU yang diperoleh sampai saat ini (actual) dengan CPU tang seharusnya diperoleh (4 ms) dapat dicari dengan:
Pengguna
CPU Aktual
Rasio
A
3
3/4=0.75
B
6
6/4=1.5
C
2
2/4=0.5
D
1
1/4=0.25
E
1
1/4=0.25




Dapat dilihat bahwa Pengguna A memiliki rasio 0.75, artinya A baru mendapatkan ¾ dari jatah waktu yang seharusnya diterima. Pengguna B memiliki rasio 1.5, artinya B mendapatkan 1.5 waktu dari jatah yang seharusnya didapatkan. Algoritma ini menjalankan proses dengan rasio yang paling rendah dulu sampai proses tersebut mendapatkan rasio melebihi rasio proses yang sebelumnya mempunyai rasio satu tingkat labih tinggi darinya.
4.      Multiple Processor Schedulling
Untuk mempertinggi kinerja, kehandalan, kemampuan komputasi, paralelisme, dan keekonomisan dari suatu sistem, tambahan prosesor dapat diimplementasikan ke dalam sistem tersebut. Sistem seperti ini disebut dengan sistem yang bekerja dengan banyak prosesor (prosesor jamak atau multiprocessor). Seperti halnya pada prosesor tunggal, prosesor jamak juga membutuhkan penjadwalan. Namun pada prosesor jamak, penjadwalannya jauh lebih kompleks daripada prosesor tunggal karena pada prosesor jamak memungkinkan adanya load sharing antar prosesor yang menyebabkan penjadwalan menjadi lebih kompleks namun kemampuan sistem tersebut menjadi lebih baik. Oleh karena itu, kita perlu mempelajari penjadwalan pada prosesor jamak berhubung sistem dengan prosesor jamak akan semakin banyak digunakan karena kemampuannya yang lebih baik dari sistem dengan prosesor tunggal.

Jenis – jenis Multiple Processor Schedulling
a.       Penjadwalan Mater/Slave
Pendekatan pertama untuk penjadwalan prosesor jamak adalah penjadwalan asymmetric multiprocessing atau bisa disebut juga sebagai penjadwalan master/slave. Dimana pada metode ini hanya satu prosesor( master) yang menangani semua keputusan penjadwalan, pemrosesan M/K, dan aktivitas sistem lainnya dan prosesor lainnya ( slave) hanya mengeksekusi proses. Metode ini sederhana karena hanya satu prosesor yang mengakses struktur data sistem dan juga mengurangi data sharing. Dalam teknik penjadwalan master/slave, satu prosesor menjaga status dari semua proses dalam sistem dan menjadwalkan kinerja untuk semua prosesor slave. Sebagai contoh, prosesor master memilih proses yang akan dieksekusi, kemudian mencari prosesor yang available, dan memberikan instruksi Start processor. Prosesor slave memulai eksekusi pada lokasi memori yang dituju. Saat slave mengalami sebuah kondisi tertentu seperti meminta M/K, prosesor slave memberi interupsi kepada prosesor master dan berhenti untuk menunggu perintah selanjutnya. Perlu diketahui bahwa prosesor slave yang berbeda dapat ditujukan untuk suatu proses yang sama pada waktu yang berbeda.
Gambar 15.1. Multiprogramming dengan multiprocessor
Multiprogramming dengan multiprocessor

Gambar di atas mengilustrasikan perilaku dari multiprocessor yang digunakan untuk multiprogramming Beberapa proses terpisah dialokasikan di dalam memori. Ruang alamat proses terdiri dari halaman-halaman sehingga hanya sebagian saja dari proses tersebut yang berada dalam memori pada satu waktu. Hal ini memungkinkan banyak proses dapat aktif dalam sistem.
b.      Penjadwalan Symmetric Multiprocessing (SMP)
Penjadwalan SMP ( Symmetric multiprocessing) adalah pendekatan kedua untuk penjadwalan prosesor jamak. Dimana setiap prosesor menjadwalkan dirinya sendiri ( self scheduling). Semua proses mungkin berada pada antrian ready yang biasa, atau mungkin setiap prosesor memiliki antrian ready tersendiri. Bagaimanapun juga, penjadwalan terlaksana dengan menjadwalkan setiap prosesor untuk memeriksa antrian ready dan memilih suatu proses untuk dieksekusi. Jika suatu sistem prosesor jamak mencoba untuk mengakses dan meng- update suatu struktur data, penjadwal dari prosesor-prosesor tersebut harus diprogram dengan hati-hati; kita harus yakin bahwa dua prosesor tidak memilih proses yang sama dan proses tersebut tidak hilang dari antrian. Secara virtual, semua sistem operasi modern mendukung SMP, termasuk Windows XP, Windows 2000, Solaris, Linux, dan Mac OS X.
c.       Affinity
Data yang paling sering diakses oleh beberapa proses akan memadati cache pada prosesor,sehingga akses memori yang sukses biasanya terjadi di memori cache. Namun, jika suatu proses . berpindah dari satu prosesor ke prosesor lainnya akan mengakibatkan isi dari cache memori yang dituju menjadi tidak valid, sedangkan cache memori dari prosesor asal harus disusun kembali populasi datanya. Karena mahalnya invalidating dan re-populating dari cache, kebanyakan sistem SMP mencoba untuk mencegah migrasi proses antar prosesor sehingga menjaga proses tersebut untuk berjalan di prosesor yang sama. Hal ini disebut afinitas prosesor ( processor affinity). Ada dua jenis afinitas prosesor, yakni:
·         Soft affinity yang memungkinkan proses berpindah dari satu prosesor ke prosesor yang lain, dan
·         Hard affinity yang menjamin bahwa suatu proses akan berjalan pada prosesor yang sama dan tidak berpindah. Contoh sistem yang menyediakan system calls yang mendukung hard affinity adalah Linux.
d.      Load Balancing
Dalam sistem SMP, sangat penting untuk menjaga keseimbangan workload antara semua prosesor untuk memaksimalkan keuntungan memiliki multiprocessor. Jika tidak, mungkin satu atau lebih prosesor idle disaat prosesor lain harus bekerja keras dengan workload yang tinggi. Load balancing adalah usaha untuk menjaga workload terdistribusi sama rata untuk semua prosesor dalam sistem SMP. Perlu diperhatikan bahwa load balancing hanya perlu dilakukan pada sistem dimana setiap prosesor memiliki antrian tersendiri( private queue) untuk proses-proses yang berstatus ready. Pada sistem dengan antrian yang biasa ( common queue), load balancing tidak diperlukan karena sekali prosesor menjadi idle, prosesor tersebut segera mengerjakan proses yang dapat dilaksanakan dari antrian biasa tersebut. Perlu juga diperhatikan bahwa pada sebagian besar sistem operasi kontemporer mendukung SMP, jadi setiap prosesor bisa memiliki private queue. Ada dua jenis load balancing, yakni:
·         Push migration, pada kondisi ini ada suatu task spesifik yang secara berkala memeriksa load dari tiap-tiap prosesor. Jika terdapat ketidakseimbangan, maka dilakukan perataan dengan memindahkan( pushing) proses dari yang kelebihan muatan ke prosesor yang idle atau yang memiliki muatan lebih sedikit.
·         Pull migration, kondisi ini terjadi saat prosesor yang idle menarik( pulling) proses yang sedang menunggu dari prosesor yang sibuk.
Kedua pendekatan tersebut tidak harus mutually exclusive dan dalam kenyataannya sering diimplementasikan secara paralel pada sistem load-balancing.
Keuntungan dari affinity berlawanan dengan keuntungan dari load balancing, yaitu keuntungan menjaga suatu proses berjalan pada satu prosesor yang sama dimana proses dapat memanfaatkan data yang sudah ada pada memori cache prosesor tersebut berkebalikan dengan keuntungan menarik atau memindahkan proses dari satu prosesor ke prosesor lain. Dalam kasus system engineering, tidak ada aturan tetap keuntungan yang mana yang lebih baik. Walaupun pada beberapa sistem, prosesor idle selalu menarik proses dari prosesor non-idle sedangkan pada sistem yang lain, proses dipindahkan hanya jika terjadi ketidakseimbangan yang besar antara prosesor.
e.      Symetric Multithreading
Ide dari SMT adalah untuk menciptakan banyak logical processor dalam suatu physical processor yang sama dan mempresentasikan beberapa prosesor kepada sistem operasi. Setiap logical processor mempunyai state arsitekturnya sendiri yang mencangkup general purpose dan machine state register. Lebih jauh lagi, setiap logical prosesor bertanggung jawab pada penanganan interupsinya sendiri, yang berarti bahwa interupsi cenderung dikirimkan ke logical processor dan ditangani oleh logical processor bukan physical processor. Dengan kata lain, setiap logical processor men- share resource dari physical processor-nya, seperti chace dan bus.
Gambar 15.2. Symetric Multithreading
Symetric Multithreading 
Gambar di atas mengilustrasikan suatu tipe arsitektur SMT dengan dua physical processor dengan masing-masing punya dua logical processor. Dari sudut pandang sistem operasi, pada sistem ini terdapat empat prosesor. Perlu diketahui bahwa SMT adalah fitur yang disediakan dalam hardware, bukan software, sehingga hardware harus menyediakan representasi state arsitektur dari setiap logical processor sebagaimana representasi dari penanganan interupsinya. Sistem operasi tidak perlu didesain khusus jika berjalan pada sistem SMT, akan tetapi performa yang diharapkan tidak selalu terjadi pada sistem operasi yang berjalan pada SMT. Misalnya, suatu sistem memiliki 2 physical processor, keduanya idle, penjadwal pertama kali akan lebih memilih untuk membagi thread ke physical processor daripada membaginya ke logical processor dalam physical processor yang sama, sehingga logical processor pada satu physical processor bisa menjadi sibuk sedangkan physical processor yang lain menjadi idle.
f.        Multicore Multiprocessor
Multicore microprocessor adalah kombinasi dua atau lebih prosesor independen kedalam sebuah integrated circuit(IC). Umumnya, multicore mengizinkan perangkat komputasi untuk memeragakan suatu bentuk thread level paralelism(TLP) tanpa mengikutsertakan banyak prosesor terpisah. TLP lebih dikenal sebagai chip-level multiprocessing.
Gambar 15.3. Chip CPU dual-core
Chip CPU dual-core
Keuntungan:
·         Meningkatkan performa dari operasi cache snoop (bus snooping). Bus snooping adalah suatu teknik yang digunakan dalam sistem pembagian memori terdistribusi dan multiprocessor yang ditujukan untuk mendapatkan koherensi pada cache. Hal ini dikarenakan sinyal antara CPU yang berbeda mengalir pada jarak yang lebih dekat, sehingga kekuatan sinyal hanya berkurang sedikit. Sinyal dengan kualitas baik ini memungkinkan lebih banyak data yang dikirimkan dalam satu periode waktu dan tidak perlu sering di- repeat.
·         Secara fisik, desain CPU multicore menggunakan ruang yang lebih kecil pada PCB ( Printed Circuit Board) dibanding dengan desain multichip SMP.
·         Prosesor dual-core menggunakan sumber daya lebih kecil dibanding sepasang prosesor dual-core.
·         Desain multicore memiliki resiko design error yang lebih rendah daripada desain single-core.
Kerugian:
·         Dalam hal sistem operasi, butuh penyesuaian kepada software yang ada untuk memaksimalkan kegunaan dari sumberdaya komputasi yang disediakan oleh prosesor multicore. Kemampuan prosesor multicore untuk meningkatkan performa aplikasi juga bergantung pada penggunaan banyaknya thread dalam aplikasi tersebut.
·         Dari sudut pandang arsitektur, pemanfaatan daerah permukaan  silikon dari desain single-core lebih baik daripada desain multicore.
·         Pengembangan chip multicore membuat produksinya menjadi menurun karena semakin sulitnya pengaturan suhu pada chip yang padat.

B.     Evaluasi Algoritma Penjadwalan CPU
a.       Model deterministik (analisis langsung)
·         SJF à kurang dari setengah waktu tunggu rata algoritma FCFS
·         RR à nilai tengah-tengah
b.      Model pengantrian (Queueing model)
c.       Implementasi (simulasi) : biaya tinggi


IV.             Kesimpulan
Dari pembahasan di atas kita dapat menarik sebuah kesimpulan tentang beberapa algoritma yang sudah dibahas, yaitu:
1.      Multilevel Queue. Algoritma ini membagi beberapa antrian yang akan diberi prioritas berdasarkan tingkatan. Tingkatan lebih tinggi menjadi prioritas utama.
2.      Multilevel Feedback Queue. Pada dasarnya sama dengan Multilevel Queue, yang membedakannya adalah pada algoritma ini diizinkan untuk pindah antrian.
3.      Guaranted Schedulling. Algoritma ini akan menjalankan proses dengan rasio terendah sampai dengan rasio proses di atas pesaingnya.
4.      Multiple Processing. Pada algoritma ini dibutuhkan dua prosessor yang digunakan untuk melakukan proses penjadwalan.

V.                Referensi
2.      Hariyanto, Bambang, Ir, “Sistem Operasi”, Edisi Kedua, Informatika, Bandung, 1997.
3.      Hariningsih, SP, “Sistem Operasi”, Graha Ilmu, Yogyakarta, 2003.
4.      Stalling, William, “Operating System”, 2nd Edition, Prenticell Hall International Editions, USA, 1995.

0 komentar :

Posting Komentar