Ordonnancement dans les systèmes d'exploitation

Dans les systèmes d'exploitation, l’ordonnanceur est le composant du noyau du système d'exploitation choisissant l'ordre d'exécution des processus sur les processeurs d'un ordinateur. En anglais, l'ordonnanceur est appelé scheduler.

Un processus a besoin de la ressource processeur pour exécuter des calculs ; il l'abandonne quand se produit une interruption, etc. De nombreux processeurs anciens ne peuvent effectuer qu'un traitement à la fois. Pour les autres, un ordonnanceur reste nécessaire pour déterminer quel processus sera exécuté sur quel processeur (c'est la notion d'affinité, très importante pour ne pas dégrader les performances). Au-delà des classiques processeurs multicœur, la notion d'hyperthreading rend la question de l'ordonnancement encore un peu plus complexe.

À un instant donné, il y a souvent davantage de processus à exécuter que de processeurs. 

Un des rôles du système d'exploitation, et plus précisément de l'ordonnanceur du noyau, est de permettre à tous ces processus de s'exécuter à un moment ou un autre et d'utiliser au mieux le processeur pour l'utilisateur. Pour que chaque tâche s'exécute sans se préoccuper des autres et/ou aussi pour exécuter les tâches selon les contraintes imposées au système (exemple : contraintes temporelles dans le cas d'un système d'exploitation temps réel) , l'ordonnanceur du noyau du système effectue des commutations de contexte de celui-ci.

Commutation de contexte et élection 

À intervalles réguliers, le système appelle une procédure d'ordonnancement qui élit le prochain processus à exécuter. Si le nouveau processus est différent de l'ancien, un changement de contexte (opération consistant à sauvegarder le contexte d'exécution de l'ancienne tâche comme les registres du processeur) a lieu. Cette structure de données est généralement appelée PCB. Le système d'exploitation restaure l'ancien PCB de la tâche élue, qui s'exécute alors en reprenant là où elle s'était arrêtée précédemment.

Exemple 
Si  tâches doivent être exécutées de manière simultanée et qu'il est physiquement impossible pour l'ordinateur de traiter plus d'une tâche simultanément, le noyau commute rapidement le contexte d'exécution des  tâches, de manière que :
 une seule tâche soit exécutée à la fois ;
 globalement toutes les tâches soient exécutées.

Par exemple, avec trois tâches cela peut se décomposer par :
Sauvegarde par le noyau des contextes d'exécution de chacune des tâches,
commutation de contexte et élection de la nouvelle tâche n°1
Chargement par le noyau du contexte de la tâche 1.
Exécution des instructions de la tâche 1 pendant x millisecondes
Sauvegarde du contexte de la tâche 1
commutation de contexte et élection de la nouvelle tâche n°2
Chargement par le noyau du contexte de la tâche 2.
Exécution des instructions de la tâche 2 pendant x millisecondes
Sauvegarde du contexte de la tâche 2
commutation de contexte et élection de la nouvelle tâche n°3
Chargement par le noyau du contexte de la tâche 3.
Exécution des instructions de la tâche 3 pendant x millisecondes
Sauvegarde du contexte de la tâche 3
commutation de contexte et élection de la nouvelle tâche n°1
Chargement par le noyau du contexte de la tâche 1.
Exécution des instructions de la tâche 1 pendant x millisecondes
Sauvegarde du contexte de la tâche 1
…

(3 tâches ordonnancées avec l'algorithme Round-robin (Chacun son tour)).

Types d'algorithmes 
Du choix de l'algorithme d'ordonnancement dépend le comportement du système. Il existe deux grandes classes d'ordonnancement.

L'ordonnancement en temps partagé 
Il est présent sur la plupart des ordinateurs  « classiques ». Par exemple l'ordonnancement « decay » ; qui est celui par défaut sous Unix. Il consiste en un système de priorités adaptatives, par exemple il privilégie les tâches interactives pour que leur temps de réponse soit bon. Une sous-classe de l'ordonnancement en temps partagé sont les ordonnanceurs dits « proportional share », eux sont plus destinés aux stations de calcul et permettent une gestion rigoureuse des ressources. On peut citer notamment « lottery » et « stride ».

L'ordonnancement en temps réel 

Il assure qu'une certaine tâche sera terminée dans un délai donné. Cela est indispensable dans les systèmes embarqués.

Optimalité 
Un ordonnanceur temps réel est dit optimal pour un système de tâches s'il trouve une solution d'ordonnancement du système lorsque cette solution existe. S'il ne trouve pas de solution à ce système, alors aucun autre ordonnanceur ne peut en trouver une.

Algorithmes d'ordonnancement 
 Round-robin (ou méthode du tourniquet)
 Rate-monotonic scheduling (RMS)
 Earliest deadline first scheduling (EDF)
 FIFO
 Shortest job first (SJF, ou SJN -Shortest Job Next-)
 Completely Fair Scheduler (CFS)
LIFO

Stratégies d'ordonnancement 
 Ordonnancement sans réquisition
 Ordonnancement avec réquisition

Annexes

Bibliographie 
 Andrew Tanenbaum, Systèmes d'exploitation, , Pearson Education, 2008, 
 Joseph Y-T. Leung, Handbook of Scheduling: Algorithms, Models, and Performance Analysis, Chapman & Hall/CRC Computer & Information Science Series, 2004.
 J. Stankovic et al., Deadline Scheduling for Real-Time Systems, Kluwer Aacademic, Boston, 1998,

Articles connexes 
 Théorie de l'ordonnancement
 Ordonnancement de travaux informatiques

Algorithme d'ordonnancement
Programmation concurrente