Penjadwalan Processor Pada Sistem Operasi Linux

1.  Konsep Proses Pada Sistem Operasi
   
   Sistem operasi mengeksekusi berbagai jenis program. Pada sistem batch program tersebut biasanya disebut dengan job, sedangkan pada sistem time sharing, program disebut dengan program user atau task. Beberapa buku teks menggunakan istilah job atau proses. Proses adalah program yang sedang dieksekusi. Eksekusi proses dilakukan secara berurutan. Dalam suatu proses terdapat program counter, stack dan daerah data.  Penjadwalan merupakan kumpulan kebijaksanaan dan mekanisme di sistem operasi yang berkaitan dengan urutan kerja yang dilakukan sistem komputer. Proses penjadwalan yang akan dibahas disini adalah proses penjadwalan sistem operasi Solaris dan Linux. Tujuan utama penjadwalan proses optimasi kinerja menurut kriteria tertentu, dimana kriteria untuk mengukur dan optimasi kerja penjadwalan.
   Penjadwalan CPU adalah basis dari multi programming sistem operasi. Dengan cara men-switch CPU diantara proses, maka akan berakibat sistem operasi bisa membuat komputer produktif. Dalam bab ini kami akan mengenalkan tentang dasar dari konsep penjadwalan dan beberapa algoritma penjadwalan.
   Pada sistem Operasi, terdapat 3 tipe penjadwal berada secara bersama-sama pada sistem operasi yang kompleks, yaitu:
   
   

   a.    Penjadwalan Jangka Pendek (Short Term Scheduller)

   Bertugas menjadwalkan alokasi pemroses diantara proses-proses ready di memori utama. Penjadwalan ini dijalankan setiap terjadi pengalihan proses untuk memilih proses berikutnya yang harus dijalankan.
   
   

   b.    Penjadwalan Jangka Menengah (Medium Term Scheduller)

   Setelah eksekusi selama suatu waktu, proses mungkin menunda sebuah eksekusi karena membuat permintaan layanan masukan/keluaran atau memanggil suatu system call. Proses-proses tertunda tidak dapat membuat suatu kemajuan menuju selesai sampai kondisi-kondisi yang menyebabkan tertunda dihilangkan. Agar ruang memori dapat bermanfaat, maka proses dipindah dari memori utama ke memori sekunder agar tersedia ruang untuk proses-proses lain. Kapasitas memori utama terbatas untuk sejumlah proses aktif. Aktivitas pemindahan proses yang tertunda dari memori utama ke memori sekunder disebut swapping. Proses-proses mempunyai kepentingan kecil saat itu sebagai proses yang tertunda. Tetapi, begitu kondisi yang membuatnya tertunda hilang dan dimasukkan kembali ke memori utama dan ready.
   
   

   c.    Penjadwalan Jangka Panjang (Long Term Scheduller)

   Penjadwalan ini bekerja terhadap antrian batch dan memilih batch berikutnya yang harus dieksekusi. Batch biasanya berupa proses-proses dengan penggunaan sumber daya yang intensif (yaitu waktu pemroses, memori, masukan/keluaran), program-program ini berprioritas rendah, digunakan sebagai pengisi (agar pemroses sibuk) selama periode aktivitas job-job interaktif rendah. Meskipun tiap-tiap proses terdiri dari suatu kesatuan yang terpisah namun adakalanya proses-proses tersebut butuh untuk saling berinteraksi. Satu proses bisa dibangkitkan dari output proses lainnya sebagai input. Pada saat proses dieksekusi, akan terjadi perubahan status. Status proses didefiniskan sebagai bagian dari aktivitas proses yang sedang berlangsung saat itu. Gambar 3.1 dibawah, ditunjukkan diagram status proses. Status proses terdiri dari :
   ·   New,  proses sedang dibuat.
   ·   Running, proses sedang dieksekusi.
   ·  Waiting,  proses sedang menunggu beberapa event yang akan terjadi (seperti menunggu untuk menyelesaikan I/O atau menerima sinyal).
   ·    Ready,  proses menunggu jatah waktu dari CPU untuk diproses.
   ·    Terminated,  proses telah selesai dieksekusi.
   Secara blog diagram, maka dapat digambarkan sebagai berikut :
   
   Masing-masing proses direpresentasikan oleh Sistem Operasi dengan menggunakan Process Control Block (PCB).  Informasi yang terdapat pada setiap proses meliputi :
   ·    Status Proses. New, ready, running, waiting dan terminated.
   ·    Program Counter. Menunjukkan alamat berikutnya yang akan dieksekusi oleh proses tersebut.
   ·    CPU Registers. Register bervariasi tipe dan jumlahnya tergantung arsitektur komputer yang bersangkutan. Register-register tersebut terdiri-atas: accumulator, index register, stack pointer, dan register serbaguna dan beberapa informasi tentang kode kondisi. Selama Program Counter berjalan, status informasi harus disimpan pada saat terjadi interrupt.
   ·    Informasi Penjadwalan CPU. Informasi tersebut berisi prioritas dari suatu proses, pointer ke antrian penjadwalan, dan beberapa parameter penjadwalan yang lainnya. 
   ·    Informasi Manajemen Memori. Informasi tersebut berisi nilai (basis) dan limit register, page table, atau segment table tergantung pada sistem memory yang digunakan oleh sistem operasi.
   ·    Informasi Accounting. Informasi tersebut berisi jumlah CPU dan real time yang digunakan, time limits, account numbers, jumlah job atau proses.
   ·    Informasi Status I/O. Informasi tersebut berisi deretan I/O device (seperti tape driver) yang dialokasikan untuk proses tersebut, deretan file yang dibuka.
   
   
   Swithing proses dari proses satu ke proses berikutnya, ditunjukkan seperti gambar berikut ini.
   
   
   
   
   
   2.       Kriteria Penjadwalan
   Algoritma penjadwalan CPU yang berbeda akan memiliki perbedaan properti. Untuk memilih algoritma ini harus dipertimbangkan dulu properti-properti algoritma tersebut. Ada beberapa kriteria yang digunakan untuk melakukan pembandingan algoritma penjadwalan CPU, antara lain:
   ·    CPU utilization. Diharapkan agar CPU selalu dalam keadaan sibuk. Utilitas CPU dinyatakan dalam bentuk prosen yaitu 0-100%. Namun dalam kenyataannya hanya berkisar antara 40-90%.
   ·     Throughput. Adalah banyaknya proses yang selesai dikerjakan dalam satu satuan waktu.
   ·    Turnaround time. Banyaknya waktu yang diperlukan untuk mengeksekusi proses, dari mulai menunggu untuk meminta tempat di memori utama, menunggu di ready queue, eksekusi oleh CPU, dan mengerjakan I/O.
   ·   Waiting time. Waktu yang diperlukan oleh suatu proses untuk menunggu di ready queue. Waiting time ini tidak mempengaruhi eksekusi proses dan penggunaan I/O.
   ·    Response time. Waktu yang dibutuhkan oleh suatu proses dari minta dilayani hingga ada respon pertama yang menanggapi permintaan tersebut.
   ·    Fairness. Meyakinkan bahwa tiap-tiap proses akan mendapatkan pembagian waktu penggunaan CPU secara terbuka (fair).
   
   
   3.       Dispatcher
   Dispatcher adalah suatu modul yang akan memberikan kontrol pada CPU terhadap penyeleksian proses yang dilakukan selama short-term scheduling. Fungsi-fungsi yang terkandung di dalamnya meliputi:
   ·     Switching context;
   ·     Switching ke user-mode;
   ·     Melompat ke lokasi tertentu pada user program untuk memulai program.
   Waktu yang diperlukan oleh dispatcher untuk menghentikan suatu proses dan memulai untuk menjalankan proses yang lainnya disebut dispatch latency.
   
   
   4.       Algoritma Penjadwalan
   Proses memerlukan prosesor dan penjadwalan pemakaian prosesor.  Berdasarkan berbagai ketentuan pada penjadwalan proses serentak, dapat disusun teknik penjadwalan prosesor.  Dapat dipandang semua proses serentak itu sebagai satu kumpulan proses yang memerlukan prosesor.
   Penjadwalan proses didasarkan pada sistem operasi yang menggunakan prinsip    multiprogramming.  Dengan cara mengalihkan kerja CPU untuk beberapa proses, maka CPU akan semakin produktif. Algoritma diperlukan untuk mengatur giliran proses-proses yang ada di ready queue yang mengantri untuk dialokasikan ke CPU. Beberapa algoritma penjadwalan dijelaskan sebagai berikut :

   a.    First Come First Saved (FCFS) Scheduling

   FCFS merupakan algoritma penjadwalan yang paling sederhana yang digunakan dalam CPU. Dengan menggunakan algoritma ini setiap proses yang berada pada status ready dimasukkan kedalam FIFO queue atau antrian dengan prinsip first in first out, sesuai dengan waktu kedatangannya. Proses yang tiba terlebih dahulu yang akan dieksekusi. Kelemahan dari algoritma ini:
   ·     Waiting time rata-ratanya cukup lama.
   ·    Terjadinya convoy effect, yaitu proses-proses menunggu lama untuk menunggu proses besar yang sedang dieksekusi oleh CPU. Algoritma ini juga menerapkan konsep non-preemptive, yaitu setiap proses yang sedang dieksekusi oleh CPU tidak dapat di-interrupt oleh proses yang lain. 
   Pada algoritma ini, maka proses yang pertama kali meminta jatah waktu untuk menggunakan CPU akan dilayani terlebih dahulu. Pada skema ini, proses yang meminta CPU pertama kali akan dialokasikan ke CPU pertama kali.
   Misalnya terdapat tiga proses yang dapat dengan urutan P1, P2, dan P3 dengan waktu CPU-burst dalam milidetik yang diberikan sebagai berikut :
   
   Gant chart dengan penjadwalan FCFS dapat digambarkan sebagai berikut :
   
   
   
   Waktu tunggu untuk P1 adalah 0, P2 adalah 24 dan P3 adalah 27 sehingga rata-rata waktu tunggu adalah (0 + 24 + 27)/3 = 17 milidetik.
   Apabila urutannya P2, P3 dan P1 dengan waktu CPU-burst dalam milidetik yang diberikan sebagai berikut :
   
   Maka Gant chart-nya dengan penjadwalan FCFS digambarkan sebagai berikut :
   
   
   
   Waktu tunggu untuk P1 adalah 6, P2 adalah 0 dan P3 adalah 3 sehingga rata-rata waktu tunggu adalah (6 + 0 + 3)/3 = 3 milidetik. Rata-rata waktu untuk kasus ini jauh lebih baik jika dibandingkan dengan kasus sebelumnya.
   Algoritma FCFS termasuk non-preemptive, karena sekali CPU dialokasikan pada suatu proses, maka proses tersebut tetap akan memakai CPU sampai proses tersebut melepaskannya (berhenti atau meminta I/O).
   
   

   b.    Shortest Job First (SJF) Scheduling

   Pada algoritma ini setiap proses yang ada di ready queue akan dieksekusi berdasarkan burst time terkecil. Hal ini mengakibatkan waiting time yang pendek untuk setiap proses dan karena hal tersebut maka waiting time rata-ratanya juga menjadi pendek. Ada beberapa kekurangan dari algoritma ini yaitu:
   ·     Susahnya untuk memprediksi burst time proses yang akan dieksekusi selanjutnya.
   ·     Proses yang mempunyai burst time yang besar akan memiliki waiting time yang besar pula SJF (Shortest Job First) karena yang dieksekusi terlebih dahulu adalah proses dengan burst time yang lebih kecil.
   Algoritma ini dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu :
   ·   Preemptive. Jika ada proses yang sedang dieksekusi oleh CPU dan terdapat proses di ready queue dengan burst time yang lebih kecil daripada proses yang sedang dieksekusi tersebut, maka proses yang sedang dieksekusi oleh CPU akan digantikan oleh proses yang berada di ready queue tersebut. Preemptive SJF sering disebut juga Shortest-Remaining- Time-First scheduling.
   ·    Non-preemptive. CPU tidak memperbolehkan proses yang ada di ready queue untuk menggeser proses yang sedang dieksekusi oleh CPU meskipun proses yang baru tersebut mempunyai burst time yang lebih kecil.
   
   

   c.    Priority Scheduling

   Priority Scheduling merupakan algoritma penjadwalan yang mendahulukan proses yang memiliki prioritas tertinggi. Setiap proses memiliki prioritasnya masing-masing. Prioritas suatu proses dapat ditentukan melalui beberapa karakteristik antara lain:
   ·    Time limit.
   ·    Memory requirement.
   ·    Akses file.
   ·    Perbandingan antara I/O burst dengan CPU burst.
   ·    Tingkat kepentingan proses.
   Pada algoritma ini terdapat 2 macam penjadwalan, yaitu :
   ·   Preemptive. Jika ada suatu proses yang baru datang memiliki prioritas yang lebih tinggi daripada proses yang sedang dijalankan, maka proses yang sedang berjalan tersebut dihentikan, lalu CPU dialihkan untuk proses yang baru datang tersebut.
   ·    Nonpreemtive. Proses yang baru datang tidak dapat menganggu proses yang sedang berjalan, tetapi hanya diletakkan di depan queue.
   
   
   Kelemahan pada priority scheduling adalah dapat terjadinya indefinite blocking (starvation). Solusi dari permasalahan ini adalah aging, yaitu meningkatkan prioritas dari setiap proses yang menunggu dalam queue secara bertahap.
   
   
   d.    Round Robin Scheduling
   Algoritma ini menggilir proses yang ada di antrian. Setiap proses mendapat jatah sebesar time quantum. Jika time quantum-nya habis atau proses sudah selesai, CPU akan dialokasikan ke proses berikutnya.
   Semua proses mendapat jatah waktu yang sama dari CPU yaitu (1/n), dan tak akan menunggu lebih lama dari (n-1)q dengan q adalah lama 1 quantum. Jika q terlalu besar maka akan sama dengan algoritma FCFS. Jika terlalu kecil, akan semakin banyak peralihan proses sehingga banyak waktu terbuang.
   
   Gambar Urutan Kejadian Algoritma Round Robin
   
   
   Konsep dasar dari algoritma ini adalah dengan menggunakan timesharing. Pada dasarnya algoritma ini sama dengan FCFS, hanya saja bersifat preemptive. Setiap proses mendapatkan waktu CPU yang disebut dengan waktu quantum (quantum time) untuk membatasi waktu proses, biasanya 1-100 milidetik. Setelah waktu habis, proses ditunda dan ditambahkan pada ready queue. Jika suatu proses memiliki CPU burst lebih kecil dibandingkan dengan waktu quantum, maka proses tersebut akan melepaskan CPU jika telah selesai bekerja, sehingga CPU dapat segera digunakan oleh proses selanjutnya. Sebaliknya, jika suatu proses memiliki CPU burst yang lebih besar dibandingkan dengan waktu quantum, maka proses tersebut akan dihentikan sementara jika sudah mencapai waktu quantum, dan selanjutnya mengantri kembali pada posisi ekor dari ready queue, CPU kemudian menjalankan proses berikutnya. Jika terdapat n proses pada ready queue dan waktu quantum q, maka setiap proses mendapatkan 1/n dari waktu CPU paling banyak q unit waktu pada sekali penjadwalan CPU.
   Tidak ada proses yang menunggu lebih dari (n-1)q unit waktu. Performansi algoritma round robin dapat dijelaskan sebagai berikut, jika q besar, maka yang digunakan adalah algoritma FIFO, tetapi jika q kecil maka sering terjadi context switch. Misalkan ada 3 proses: P1, P2, dan P3  yang meminta pelayanan CPU dengan quantum-time sebesar 4 milidetik, maka dapat digambarkan sebagai berikut :
   
   
   
   Maka Gant chart-nya dapat digambarkan sebagai berikut :
   
   
   
   
   
   
   
   Waktu tunggu untuk P1 adalah 6, P2 adalah 4, dan P3 adalah 7 sehingga rata-rata waktu tunggu adalah (6+4+7)/3 = 5.66 milidetik.
   Algoritma Round-Robin ini di satu sisi memiliki keuntungan, yaitu adanya keseragaman waktu. Namun di sisi lain, algoritma ini akan terlalu sering melakukan switching seperti yang terlihat pada Gambar berikut.
   Semakin besar quantum-timenya maka switching yang terjadi akan semakin sedikit.
   
   Gambar  Waktu quantum yang lebih kecil meningkatkan context switch
   
   
   Pada multiprogramming, selalu akan terjadi beberapa proses berjalan dalam suatu waktu.  Sedangkan pada uniprogramming hal ini tidak akan terjadi, karena hanya ada satu proses yang berjalan pada saat tertentu.
   Konsep dasar dari multiprogramming ini adalah: suatu proses akan menggunakan CPU sampai proses tersebut dalam status wait (misalnya meminta I/O) atau selesai.  Pada saat wait , maka CPU akan nganggur (idle).  Untuk mengatasi hal ini, maka CPU dialihkan ke proses lain pada saat suatu proses sedang dalam wait, demikian seterusnya.
   
   
   5.       Implementasi Pada Sistem Operasi Linux
   Pada sistem operasi Linux, untuk melihat proses yang sedang terjadi, maka digunakan perintah ps. Apabila belum tahu perintah ps itu digunakan untuk apa, maka kita bisa tanya ke library menggunakan perintah man, kemudian diikuti nama perintahnya (#man ps), kemudian tekan enter,  seperti pada gambar berikut ini.
   
   Gambar Menjalankan perintah man pada Linux 1
   
   
   Sedangkan untuk menampilkan proses tree atau memperoleh informasi tentang threads dan security info, dapat dilakukan dengan melakukan scroll mouse ke arah bawah, sehingga akan diperoleh tampilan seperti berikut ini.
   
   Gambar Menjalankan perintah man pada Linux 2
   
   
   Pada sistem operasi Linux Debian, untuk melihat proses yang terjadi dapat dilakukan dengan mengetikkan perintah ps pada terminal Linux, seperti berikut ini.
   
   Contoh proses pada sistem operasi Linux 1
   
   
   Jika dijalankan perintah # ps –au, maka akan diperoleh tampilan seperti berikut ini.
   
   Gambar Contoh proses pada sistem operasi Linux 2
   
   
   Pada sistem Linux, terdapat banyak cara untuk menangani eksekusi-eksekusi perintah. Diantaranya, diberi kesempatan untuk membuat daftar perintah dan menentukan kapan perintah dijalankan oleh sistem. Misalnya perintah “at” digunakan untuk memberi peluang menjalankan program berdasarkan waktu yang ditentukan.  Contoh script pada Linux ditunjukkan pada gambar berikut ini.
   
   Gambar Menjalankan perintah at
   Pada gambar di atas, langkah pertama adalah membuat file pada directory home/yamta/ dengan nama belajar_linux. Perintah untuk membuatnya adalah : #touch belajar_linux
   File di atas sebagai tempat kita menyimpan dan melihat proses. Dengan demilian, maka pada Wednesday December 11 2013 jam 13:00 akan terjadi proses ping ke IP 192.168.0.1, yang keterangan prosesnya ada pada file /home/yamta/belajar_linux.
   Untuk melihat faktor/elemen lainnya , maka menggunakan perintah ps –u seperti gambar berikut ini
   
   Gambar Hasil perintah ps -u
   
   
   Untuk melihat faktor/elemen lainnya, gunakan option –u (user). %CPU adalah presentasi CPU time yang digunakan oleh proses tersebut, %MEM adalah presentasi system memori yang digunakan proses, SIZE adalah jumlah memori yang digunakan, RSS (Real System Storage) adalah jumlah memori yang digunakan, START adalah kapan proses tersebut diaktifkan. Sedangkan pada option -u yang disertai untuk mencari proses yang spesifik pemakai. Proses diatas hanya terbatas pada proses milik pemakai, dimana pemakai teresbut melakukan login.
   Untuk menampilkan proses Parent dan Child maka ketikkan perintah #ps –eH, sehingga akan keluar tampilan seperti berikut ini.
   
   Gambar Hasil perintah ps -u
   
   
   Pada gambar di atas terlihat hubungan proses parent dan child. Setelah mengetikkan perintah ps -eH kemudian enter, maka proses child muncul dibawah proses parent dan proses child ditandai dengan awalan beberapa spasi. Karena pada opsi e disini untuk memilih semua proses dan opsi H menghasilkan tampilan proses secara hierarki.
   Dengan mengetikkan perintah # ps –ef, maka akan ditampilkan gambar seperti berikut ini.
   
   Gambar Hasil perintah ps –ef
   
   
   Untuk menampilkan semua proses pada sistem dalam bentuk hirarki parent/child, maka dilakukan dengan mengetikkan perintah # pstree, seperti gambar berikut ini.
   
   Gambar Hasil perintah pstree
   
   
   Percobaan diatas menampilkan semua proses pada sistem dalam bentuk hirarki parent/child. Proses parent di sebelah kiri proses child. Sebagai contoh proses init sebagai parent (ancestor) dari semua proses pada sistem. Beberapa child dari init mempunyai child. Proses login mempunyai proses bash sebagai child. Proses bash mempunyai proses child startx. Proses startx mempunyai child xinit dan seterusnya.
   Untuk melihat semua PID, maka dilakukan dengan mengetikkan perintah #pstree –p, sehingga akan menghasilkan tampilan seperti berikut ini.
   

   Gambar Hasil perintah pstree –p
   
   
   Untuk melihat semua PID untuk proses gunakan opsi –p. Jadi , menampilakn semua proses pada sistem dalam bentuk hirarki parent/child. Disini memberitahukan proses yang sedang berjalan bahwa ada sesuatu yang harus dikendalikan. Dan berdasarkan sinyal yang dikirim ini maka dapat bereaksi dan administrator dapat menentukan reaksi tersebut.
   Untuk menampilkan proses dan ancestor, maka dilakukan dengan mengetikkan perintah # pstree –h, sehingga hasilnya sebagai berikut.
   

   Gambar Hasil perintah pstree –h
   
   
   Untuk menampilkan semua proses (PID, TTY, TIME dan CMD), dilakukan dengan mengetikkan perintah $ ps ax | more. Opsi a akan menampilkan semua proses yang dihasilkan terminal (TTY). Opsi x menampilkan semua proses yang tidak dihasilkan terminal. Secara logika opsi ini sama dengan opsi –e. Terdapa 5 kolom : PID, TTY, STAT, TIME dan COMMAND.
   

   Gambar Hasil perintah ps ax | more
   
   
   Untuk menampilkan semua proses dalam format daftar penuh, meka perintahnya adalah # ps ef | more, sehingga akan menghasilkan tampilan sebagai berikut.
   

   Gambar Hasil perintah ps ef | more
   
   
   Opsi –e f akan menampilkan semua proses dalam format daftar penuh. Jika halaman penuh terlihat prompt –More– di bagian bawah screen, tekan q untuk kembali ke prompt perintah.