Penjadwalan Proses Sistem Operasi

PENJADWALAN PROSES

            Penjadwalan Proses adalah kumpulan kebijaksanaan dan mekanisme di sistem operasi yang berkaitan dengan urutan kerja yang dilakukan sistem komputer.

Tugas Penjadwalan yaitu :

1)      Memutuskan proses yang harus berjalan

2)      Memutuskan kapan dan selama berapa lama proses berjalan

Sasaran Utama Penjadwalan Proses

            Sasaran utama penjadwalan proses adalah optimasi kinerja sistem computer menurut kriteria tertentu. Kriteria untuk mengukur dan optimasi kinerja penjadwalan yaitu :

1)      Adil (Fairness)

      Adil adalah proses-proses diperlakukan sama yaitu mendapat jatah waktu layanan pemroses yang sama dan tidak ada proses yang tidak kebagian layanan pemroses sehingga mengalami startvation. Starvation adalah kondisi bahwa proses tidak pernah berjalan karena tidak dijadwalkan untuk berjalan. Sasaran penjadwalan seharusnya menjamin setiap proses mendapat pelayanan dari pemroses secara adil.

2)      Efisiensi

      Efisiensi atau utilisasi pemroses yang dihitung dengan perbandingan (rasio) waktu sibuk pemroses dengan total waktu operasi system computer secara keseluruhan. Sasaran penjadwalan adalah menjaga agar pemroses tetap dalam keadaan sibuk sehingga efisiensi system computer mencapai nilai maksimum. Keadaan sibuk berarti pemroses tidak menganggur. Layanan pemroses termasuk waktu yang dihabiskan untuk mengeksekusi program pemakai dan layanan system operasi secara efektif, bukan melakukan penjadwalan itu sendiri.

3)      Waktu Tanggap (Response Time)

·         System interaktif

           Waktu tanggap (terminal response time) dalam system interaktif didefinisikan sebagai waktu yang dihabiskan dari saat karakter terakhir dari perintah oleh program atau transaksi sampai hasil pertama muncul di perangkat masukan keluaran seperti layar (terminal).

·         System waktu nyata

           Pada system waktu nyata (real-time), waktu tanggap didefinisikan sebagai waktu dari saat kemunculan suatu kejadian (internal atau eksternal) sampai instruksi pertama rutin layanan terhadap kejadian dieksekusi. Waktu untuk system nyata biasa disebut event response time. Sasaran penjadwalan adalah meminimalkan waktu tanggap sehingga menghasilkan system yang reponsif.

4)      Turn Arround Time

      Turn Arround time adalah waktu yang dihabiskan dari saat proses atau job mulai masuk ke system sampai proses itu diselesaikan system. Waktu yang dimaksud adalah waktu yang dihabiskan proses berada di system, diekspresikan sebagai penjumlahan waktu eksekusi (waktu pelayanan proses/job) dan waktu  menunggu dari proses itu, yaitu: Turn Arround time = waktu eksekusi + waktu menunggu. Sasaran penjadwalan adalah menimbulkan turn arround time

5)      Throughput

      Throughput adalah jumlah kerja yang dapat diselesaikan selama satu selang/unit waktu. Cara untuk mengekspresikan troughput adalah dengan jumlah proses/job pemakai yang dapat dieksekusi dalam satu unit/interval waktu tertentu. Sasaran penjadwalan adalah memaksimalkan jumlah job/proses yang dilayani per satu interval waktu. Lebih tinggi angka troughput maka lebih banyak kerja yang dilakukan system.

Tipe – Tipe Penjadwalan

            Terdapat 3 tipe penjadwalan berada secara bersama-sama pada sistem operasi yang kompleks, yaitu:

1)      Penjadwal jangka pendek (short-term scheduller).

      Penjadwalan jangka pendek bertugas menjadwalkan alokasi pemroses di antara proses-proses Ready yang berada di memori utama. sasaran utama penjadwal jangka pendek adalah memaksimumkan kinerja sistem untuk memenuhi satu kumpulan kriteria yang diharapkan. Penjadwal ini dijalankan setiap terjadi pengalihan proses untuk memilih proses berikutnya yang harus dijalankan.

2)      Penjadwal jangka menengah (medium-term scheduller).

      Setelah eksekusi selama suatu waktu, proses mungkin ditunda karena permintaan layanan masukan/keluaran atau memanggil suatu system call. Proses-proses yang tertunda tidak dapat membuat suatu kemajuan untuk menuju selesai sampai ondisi yang menyebabkannya hilang. Agar ruang memori dapat bermanfaat maka proses dipindah dari memori utama ke memori sekunder sehingga tersedia ruang yang lebih besar untuk proses yang lain. Kapasitas memori utama terbatas untuk sejumlah proses yang aktif. Aktivitas pemindahan proses yang tertunda dari memori utama ke memori sekunder disebut swapping. Penjadwal jangka menengah bertugas menangani proses swapping . Proses yang mempunyai kepentingan kecil saat itu adalah proses yang tertunda. Tetapi begitu kondii yang membuat proses tertunda hilang dan proses dimasukkan kembali ke memori utama dan Ready. Penjadwal jangka menengah mengendalikan transisi dari suspended ke ready (dari state suspend ke Ready dari proses yang mengalami swapping). 

3)      Penjadwal jangka panjang (long-term scheduller)

     Penjadwal jangka panjang bekerja terhadap antrian batch dan memilih batch berikutnya yang harus dieksekusi sistem. Batch biasanya berupa proses-proses dengan penggunaan sumber daya yang intensif (yaitu waktu pemroses, memori, perangkat masukan/keluaran), program ini mempunyai prioritas yang rendah, dan biasa digunakan sebagai pengisi (agar pemroses sibu) selama periode aktivitas proses-proses interaktif rendah. Sasaran utama penjadwal jangka panjang adalah memberi keseimbangan proses-proses campuran.

Strategi Penjadwalan

Dalam Strategi penjadwalan,  terdapat 2 strategi penjadwalan yaitu :

1)      Penjadwalan Nonpreemptive (run-to-completion)

      Begitu proses diberi jatah layanan pemroses aka pemroses tidak dapat diambil alih oleh proses lain sampai proses itu selesai. Non-preemptive juga disebut run-to-completion karena proses yang telah dijadwalkan akan dijalankan sampai selesainya atau proses tersebut meminta layanan masukan/keluaran.

2)      Penjadwalan Preemptive

      Saat proses diberi jatah layanan pemroses maka pemroses dapat diambil alih proses lain yang mempunyai prioritas lebih tinggi berdasarkan kriteria sistem itu. Pada penjadwalan preemptive, proses dapat disela oleh proses lain sebelumnya selesainya dan harus dilanjutkan menunggu jatah waktu layanan pemroses tiba kembali pada proses itu. Proses yang disela berubah menjadi state Ready.

      Penjadwalan preemptive berguna pada sistem yakni proses-proses yang perlu mendapat perhatian/ tanggapan pemroses secara cepat. Misalnya :

·         Pada sistem-sistem waktu nyata, kehilangan interupsi (yaitu interupsi tidak segera dilayani) dapat berakibat fatal

·   Pada sistem-sistem interatif timesharing, penjadwalan preemptive penting agar dapat menjamin waktu tanggap yang memadai.

      Peralihan proses (yaitu layanan pemroses dari satu proses beralih ke proses lain) memerlukan overhead (karena banya tabel yang dikelola). Agar penjadwalan preemptive menjadi efektif, banyak proses harus berada di memori utama sehingga proses-proses tersebut dapat segera Running begitu diperlukan. Menyimpan banyak proses yang tidak Running di memori utama merupakan suatu overhead tersendiri.

Algoritma - Algoritma Penjadwalan Proses
            Terdapat banyak algoritma penjadwalan, baik algoritma penjadwalan nonpreemptive maupun penjadwalan preemptive.

·         Algoritma-algoritma yang menerapkan strategi nonpreemptive diantaranya :

1)      FIFO (First-In, First-Out) atau FCFS (First-Come, First-Serve)

2)      SJF (Shortest Job First)

·         Algoritma-algoritma yang menerapkan strategi preemptive diantaranya :

1)      RR (Round-Robin)

2)      MFQ (Multiple Feedback Queues)

3)      SRF (Shortest-Remaining-First)

4)      HRN (Highest-Remaining-Next)

5)      PS (Priority Schedulling)

6)      GS (Guaranteed Schedulling)

Klasifikasi lain selain berdasarkan dapat/tidaknya suatu proses diambil alih secara paksa adalah klasifikasi yang berdasarkan adanya prioritas diproses-proses, yaitu :

1.      Algoritma penjadwalan tanpa berprioritas

2.      Algoritma penjadwalan berprioritas, terdiri dari :

·         Algoritma penjadwalan berprioritas statis

·         Algoritma penjadwalan berprioritas dinamis

Algoritma-Algoritma Penjadwalan Proses

1.      Penjadwalan Round-Robin (RR)

      Penjadwalan Round Robin merupakan Penjadwalan Preemptive, namun proses tidak di-preempt secara langsung oleh proses lain, namun oleh penjadwal berdasarkan lama waktu berjalannya suatu proses. Maka penjadwalan ini disebut preempt-by-time dan Penjadwalan tanpa prioritas.

      Semua proses dianggap penting dan diberi jumlah waktu pemroses yang disebut kwanta (quantum) atau time-slice tempat proses tsb berjalan. Proses berjalan selama 1 kwanta, kemudian penjadwal akan mengalihkan kepada proses berikutnya juga untuk berjalan satu kwanta, begitu seterusnya sampai kembali pada proses pertama dan berulang.

Ketentuan algoritma round robin adalah sbb :

a.       Jika kwanta habis dan proses belum selesai maka proses Runing menjadi Ready dan pemroses dialihkan ke proses lain

b.      Jika kwanta belum habis dan proses menunggu suatu kejadian (misalnya menunggu selesainya suatu operasi I/O), maka proses Running menjadi Blocked dan pemroses dialihkan ke proses lain.

c.       Jika kwanta belum habis tapi proses telah selesai maka proses Running itu diakhiri dan pemroses dialihkan ke proses lain

Algoritma penjadwalan ini dapat diimplementasi sbb :

a.       Sistem mengelola senarai proses Ready sesuai urutan kedatangannya

b.      Sistem mengambil proses yang berada di ujung depan antrian Ready menjadi Running

c.       Bila kwanta belum habis dan proses selesai maka sistem mengambil proses di ujung depan antrian proses Ready

d.      Jika kwanta habis dan proses belum selesai maka ditempatkan proses Running ke ekor antrian proses Ready dan sistem mengambil proses di ujung depan antrian proses Ready

Masalah penjadwalan ini adalah dalam hal menentukan besar kwanta, yaitu :

a.       Kwanta terlalu besar menyebabkan waktu tanggap besar dan turn arround time rendah

b.      Kwanta terlalu kecil mengakibatkan peralihan proses terlalu banyak sehingga menurunkan efisiensi pemroses

Harus diterapkan besar kwanta waktu yang optimal berdasarkan kebutuhan sistem, terutama dari hasil percobaan atau data historis dari sistem. Besar kwanta waktu beragam yang bergantung beban sistem.

Berdasarkan kriteria penilaian penjadwalan :

a.       Fairness, penjadwalan RR adil bila dipandang dari persamaan pelayanan oleh pemroses

b.      Efisiensi, penjadwalan ini cenderung efisien pada sistem interatif

c.       Respons Time(waktu tanggap), penjadwalan ini memuaskan untuk sistem interaktif, tidak memadai untuk sistem waktu nyata.Turn arround Time, penjadwalan RR cukup bagus

d.      Throughput, penjadwlan RR cukup bagus

2.      Penjadwalan FIFO (FIFO)

      Penjadwalan FIFO merupakan Penjadwalan non preemptive (run-to-completion) dan Penjadwalan tidak berprioritas. Penjadwal FIFO adalah penjadwalan dengan ketentuan-ketentuan paling sederhana, yaitu :

·         Proses-proses diberi jatah waktu pemroses diurutkan berdasarkan waktu kedatangan proses-proses itu ke sistem.

·         Begitu proses mendapat jatah waktu pemroses, proses dijalankan sampai selesai

      Penjadwalan ini dikatakan adil dalam arti resmi, tapi dikatakan tidak adil karena proses yang memerlukan waktu lama membuat proses pendek menunggu. Proses tidak penting dapat membuat proses penting menjadi menunggu. FIFO jarang digunakan secara mandiri tapi dikombinasikan dengan skema lain, misalnya keputusan berdasarkan prioritas proses, sedangkan untuk proses berprioritas sama diputuskan berdasarkan FIFO.

Berdasarkan kriteria penilaian penjadwalan :

a.       Fairness, penjadwalan FIFO adil dalam arti resmi

b.      Efisiensi, FIFO sangat efisien dalam penggunaan pemroses

c.       Waktu tanggap, penjadwalan sangat tidak memuaskan karena proses dapat menunggu lama. Tidak cocok untuk sistem interaktifTurn arround time, penjadwalan FIFO tidak bagus

d.      Throughput, penjadwalan FIFO tidak bagus.

3.      Penjadwalan Berprioritas (PS)

      Gagasan penjadwalan adalah masing-masing proses diberi prioritas dan proses berprioritas tertinggi menjadi Running (yaitu mendapat jatah waktu pemroses).
Prioritas dapat diberikan secara :

a.       Prioritas statis (static priorities), prioritas tak berubah.

·         keunggulan : Mudah diimplementasikan dan mempunyai overhead relatif kecil.

·         kelemahan : penjadwalan prioritas statis tidak tanggap perubahan lingkungan yang mungkin menghendaki penyesuaian prioritas.

b.      Prioritas dinamis (dynamic priorities)

           Mekanisme menanggapi perubahan lingkungan sistem saat beroperasi di lingkungan nyata. Prioritas awal yang diberikan ke proses mungkin hanya berumur pendek. Dalam hal ini sistem dapat menyesuaikan nilai prioritasnya ke nilai yang lebih tepat sesuai lingkungan.

·         keunggulan : waktu tanggap sistem yang bagus

·         kelemahan : implementsi mekanisme prioritas dinamis lebih kompleks dan mempunyai overhead yang lebih besar dibanding mekanisme prioritas statik.

           Algoritma ini dituntun oleh keputusan untuk memenuhi kebijaksanaan tertentu yang menjadi tujuan sistem komputer. Algoritma sederhana yang memberi layanan yang baik adalah dengan menge-set proses dengan prioritas berdasarkan rumus nilai 1/f bahwa f adalah rasio kwanta terakhir yang digunakan proses.

·         Proses yang menggunakan 2 milidetik, kwanta 100 ms maka prioritasnya 50

·         Proses yang berjalan selama 50 milidetik sebelum Blocked berprioritas 2

·         Proses yang menggunakan seluruh kwanta berprioritas 1

           Kebijaksanaan yang diterapkan adalah jaminan proses-proses mendapat layanan yang adil dari pemroses dalam arti jumlah waktu pemroses yang sama untuk masing-masing pemroses pada satu waktu.
Biasanya memenuhi kebijaksanaan yang ingin mencapai level maksimal berdasarkan suatu kriteria tertentu di sistem. Algoritma penjadwalan berprioritas dapat dikombinasikan yaitu dengan mengelompokkan proses-proses menjadi kelas-kelas prioritas. Penjadwalan berprioritas diterapkan antar kelas- kelas proses itu. Penjadwalan round-robin atau penjadwalan FIFO diterapkan pada proses-proses di dalam satu kelas.

4.      Penjadwalan yang Terpendek yang Lebih Dahulu (SJF)

      Penjadwalan SJF ini merupakan Penjadwalan non preemptive dan Penjadwalan dapat dikatakan sebagai berprioritas. Di SJF, prioritas diasosiasikan dengan masing-masing proses dan pemproses dialokasikan ke proses dengan prioritas tertinggi. Proses-proses dengan prioritas yang sama akan dijadwalkan secara FIFO.

      Penjadwalan ini mengasumsikan waktu jalan proses (sampai selesai) atau waktu lamanya proses diketahui sebelumnya. Mekanisme penjadwlan SJF adalah lebih dulu menjadwalkan proses dengan waktu jalan terpendek sampai selesai. Setelah proses itu selesai, maka proses dengan waktu jalan terpendek berikutnya dijadwalkan. Demikian seterusnya. Keunggulan : penjadwalan SJF mempunyai efisiensi tinggi dan turn arround time rendah.

5.      Penjadwalan dengan Banyak Antrian (MFQ)

      Penjadwalan MFQ ini merupakan Penjadwalan preemptive dan Penjadwalan berprioritas dinamis. Sasaran penjadwalan ini adalah untuk mencegah banyaknya aktivitas swapping. Cara yang dilakukan adalah dengan :

·         Proses-proses yang sangat banyak menggunakan pemroses (karena menyelesaikan tugasnya memakan waktu yang lama) diberi jatah waktu (jumlah kwanta) lebih banyak dalam satu waktu.

·         Penjadwalan ini menghendaki kelas prioritas bagi proses-proses yang ada. Kelas tertinggi berjalan selama satu kwanta, kelas berikutnya berjalan selama dua kwanta, kelas berikutnya lagi berjalan empat kwanta, kelas berikutnya-berikutnya lagi berjalan delapan kwanta dan seterusnya.

Ketentuan yang berlaku adalah sebagai berikut :

·         Jalankan proses-proses yang berada pada kelas prioritas tertinggi

·        Jika proses telah menggunakan seluruh kwanta yang dialokasikan maka proses itu diturunkan kelas prioritasnya

·         Proses yang masuk untuk pertama kali ke sistem langsung diberi kelas tertinggi

6.      Penjadwalan dengan Sisa Waktu Terpendek, Lebih Dahulu (SRF)

      Penjadwalan ini merupakan Penjadwalan Preemptive dan Penjadwalan berprioritas dinamis. Penjadwalan SRF merupakan perbaikan dari SJF, SJF merupakan penjadwalan nonpreemptive sedang SRF adalah preemptive yang dapat digunakan untuk sistem timesharing. Pada SRF, proses dengan sisa waktu jalan diestimasi terendah dijalankan, termasuk proses-proses yang baru tiba.

Perbedaan SRF dengan SJF yaitu :

·         Pada SJF, begitu proses dieksekusi, proses dijalankan sampai selesai

·         Pada SRF proses yang sedang berjalan (Running) dapat diambil alih oleh proses baru dengan sisa waktu jalan yang diestimasi lebih rendah

·         SRF mempunyai overhead yang lebih besar dibanding SJF. SRF memerlukan penyimpanan waktu layanan yang telah dihabiskan proses dan kadang-kadang harus menangani peralihan.

·         Tibanya proses-proses kecil akan segera dijalankan

·         Proses-proses lebih lama berarti dengan lama dan variasi waktu tunggu lebih lama dibanding dengan SJF.

·     Secara teoretis, SRF memberi waktu tunggu minimum tapi karena adanya overhead peralihan, maka pada situasi tertentu SJF bisa memberi kinerja yang lebih baik dibanding SRF.

7.      Penjadwalan Rasio Tanggapan Tertinggi, Lebih Dahulu(HRN)

      Penjadwalan HRN ini merupakan Penjadwalan non preemptive dan Penjadwalan berprioritas dinamis. Penjadwalan ini juga untuk mengkoreksi kelemahan SJF. HRN adalah strategi penjadwalan non preemptive dengan prioritas proses tidak hanya merupakan fungsi dari waktu layanan, tapi juga jumlah waktu tunggu proses. Prioritas dinamis HRN dihitung berdasarkan rumus berikut : Prioritas = (waktu tunggu + waktu layanan) / waktu layanan

      Karena waktu layanan muncul sebagai pembagi maka proses yang lebih pendek mempunyai prioritas yang lebih baik. Karena waktu tunggu sebagai pembilang maka proses yang telah menunggu lebih lama juga mempunyai kesempatan lebih bagus untuk memperoleh layanan pemroses. Disebut HRN (High respons next) karena waktu tanggap adalah (waktu tunggu + waktu layanan). Ketentuan HRN berarti agar memperoleh waktu tanggap tertinggi yang harus dilayani.

8.      Penjadwalan Terjamin (GS)

      Penjadwal GS ini adalah Penjadwalan preemptive dan Penjadwalan berprioritas dinamis. Penjadwalan ini berupaya memberi masing-masing pemakai daya pemroses yang sama. Jika terdapat N pemakai maka tiap pemakai diupayakan mendapat 1/N daya pemroses. Sistem merekam banyak waktu pemroses yang telah digunakan proses sejak login dan jumlah waktu proses yang digunakan seluruh proses.

      Karena jumlah waktu pemroses tiap pemakai dapat diketahui, maka dapat dihitung rasio antara waktu pemroses yang sesungguhnya harus diperoleh yaitu 1/N waktu pemroses seluruhnya dan waktu pemroses telah diperuntukkan proses itu.
Penjadwal akan menjalankan proses dengan rasio terendah sampai rasio proses diatas pesaing terdekatnya.

Evaluasi Algoritma
            Masing-masing algoritma mempunyai parameter-parameter tersendiri. Pemilihan algoritma penjadwalan merupakan hal yang sulit. Persoalan pertama adalah mendefinisikan kriteria untuk pemilihan algoritma. Kriteria-kriteria yang sering digunakan adalah fairness (keadilan), efisiensi, waktu tanggap, turn arround time dan throughput. Kriteria kemudian dapat menjadi :

·         Memaksimumkan utilisasi pemroses dengan konstrain waktu tanggap maksimum adalah 500 milidetik, atau

·         Memaksimumkan throughput bahwa turn arround time adalah berbanding linier dengan waktu eksekusi total.

Begitu kriteria pemilihan telah didefinisikan, kita dapat mengeveluasi beragam algoritma. Terdapat sejumlah metode evaluasi untuk melakukan hal ini, yaitu :

a.      Pemodelan deterministis

      Merupakan evaluasi analitis. Evaluasi analitis menggunakan algoritma dan beban kerja sistem untuk menghasilkan satu rumus atau angka yang menunjukkan kinerja algoritma untuk beban kerja itu. Pemodelan deterministik menggunakan suatu beban kerja tertentu yang telah ditentukan dan mendefinisikan kinerja algoritma untuk beban kerja itu.

b.      Pemodelan antrian

      Sistem komputer dipandang sebagai satu jaringan pelayanan (server). Masing-masing pelayan mempunyai satu antrian dari proses-proses yang menunggu layanan. Pemroses adalah satu pelayan dengan satu antrian proses yang siap menerima layanan, begitu juga perangkat I/O adalah antrian perangkat. Dengan mengetahui rate kedatangan dan rate layanan, maka kita dapat mengkomputasi utilisasi, panjang antrian rata-rata, waktu tunggu rata-rata dsb. Bidang studi ini adalah analisis jaringan antrian (queueing network analys).

c.       Simulasi

      Simulasi dapat memberikan evaluasi algoritma penjadwalan dengan lebih akurat. Simulasi melibatkan pemrograman model sistem komputer. Dengan simulasi akan diperoleh statistik yang menyatakan kinerja algoritma.

d.      Implementasi

      Simulasi pun hanya memberikan akurasi yang terbatas. Satu-satunya cara paling akurat dalam mengevaluasi algoritma penjadwalan adalah mengimplementasikannya, menjalankannya pada sistem nyata dan melihatnya bekerja. Pendekatan ini adalah menjalankan algoritma nyata di sistem nyata untuk keperluan evaluasi pada beban atau kondisi operasi yang nyata.