مفهوم جدولة القرعة
تعتمد جدولة القرعة على فكرة بسيطة وهي تخصيص تذاكر يانصيب للعمليات. كل عملية تحصل على عدد معين من التذاكر، يتناسب مع الأهمية النسبية أو الحصة المطلوبة من وقت وحدة المعالجة المركزية. بعبارة أخرى، العملية التي تحتاج إلى الحصول على ضعف وقت وحدة المعالجة المركزية مقارنة بعملية أخرى يجب أن تحصل على ضعف عدد التذاكر.
يقوم نظام التشغيل بشكل دوري بسحب تذكرة يانصيب عشوائية من بين جميع التذاكر الموزعة. العملية التي تحمل التذكرة الفائزة هي العملية التي يتم اختيارها لتنفيذها خلال الفترة الزمنية المحددة. بعد انتهاء الفترة الزمنية، يتم سحب تذكرة يانصيب أخرى، وتستمر العملية حتى تكتمل.
مزايا جدولة القرعة:
- البساطة: الخوارزمية بسيطة وسهلة التنفيذ.
- العدالة: تضمن الخوارزمية توزيعًا عادلاً لوقت وحدة المعالجة المركزية بين العمليات، حيث أن العملية التي لديها المزيد من التذاكر لديها فرصة أكبر للفوز باليانصيب وبالتالي الحصول على المزيد من وقت وحدة المعالجة المركزية.
- الاستجابة: يمكن للخوارزمية الاستجابة بسرعة للتغيرات في متطلبات العمليات، حيث يمكن تعديل عدد التذاكر المخصصة لكل عملية ديناميكيًا.
- القوة: يمكن استخدام الخوارزمية لتنفيذ مجموعة متنوعة من سياسات الجدولة، من خلال تخصيص أوزان مختلفة للتذاكر.
عيوب جدولة القرعة:
- التقريب: تعتمد الخوارزمية على سحب عشوائي للتذاكر، مما يعني أن التوزيع الفعلي لوقت وحدة المعالجة المركزية قد لا يكون دائمًا مطابقًا تمامًا للتوزيع المطلوب.
- الحمل الزائد: يمكن أن يؤدي سحب التذاكر بشكل متكرر إلى زيادة الحمل الزائد على نظام التشغيل.
- المشكلة المحتملة لتجويع عملية: على الرغم من أن الخوارزمية عادلة بشكل عام، إلا أنه من الممكن أن يتم تجويع عملية معينة إذا لم تفز باليانصيب لفترة طويلة من الزمن.
آلية عمل جدولة القرعة
تتضمن آلية عمل جدولة القرعة الخطوات التالية:
- تخصيص التذاكر: يتم تخصيص عدد من تذاكر اليانصيب لكل عملية بناءً على أهميتها أو حصتها المطلوبة من وقت وحدة المعالجة المركزية.
- سحب اليانصيب: بشكل دوري، يقوم نظام التشغيل بسحب تذكرة يانصيب عشوائية من بين جميع التذاكر الموزعة.
- اختيار العملية: العملية التي تحمل التذكرة الفائزة هي العملية التي يتم اختيارها لتنفيذها خلال الفترة الزمنية المحددة.
- التنفيذ: يتم تنفيذ العملية المختارة حتى تنتهي الفترة الزمنية المحددة.
- التكرار: يتم تكرار الخطوات من 2 إلى 4 حتى تكتمل جميع العمليات.
مثال توضيحي:
لنفترض أن لدينا ثلاث عمليات: A و B و C. تم تخصيص 10 تذاكر للعملية A، و 20 تذكرة للعملية B، و 30 تذكرة للعملية C. هذا يعني أن العملية C يجب أن تحصل على ضعف وقت وحدة المعالجة المركزية الذي تحصل عليه العملية B، وثلاثة أضعاف الوقت الذي تحصل عليه العملية A.
عندما يحين وقت تحديد العملية التي سيتم تشغيلها، يقوم نظام التشغيل بسحب تذكرة يانصيب عشوائية من بين 60 تذكرة (10 + 20 + 30). إذا تم سحب تذكرة من بين التذاكر العشر المخصصة للعملية A، فسيتم تشغيل العملية A. وإذا تم سحب تذكرة من بين التذاكر العشرين المخصصة للعملية B، فسيتم تشغيل العملية B. وإذا تم سحب تذكرة من بين التذاكر الثلاثين المخصصة للعملية C، فسيتم تشغيل العملية C.
بمرور الوقت، ستحصل العملية C على حوالي نصف وقت وحدة المعالجة المركزية، وستحصل العملية B على حوالي الثلث، وستحصل العملية A على حوالي السدس. هذا يقارب التوزيع المطلوب لوقت وحدة المعالجة المركزية.
تطبيقات جدولة القرعة
يمكن استخدام جدولة القرعة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك:
- أنظمة التشغيل: يمكن استخدام جدولة القرعة لجدولة العمليات في نظام التشغيل، مما يضمن توزيعًا عادلاً لوقت وحدة المعالجة المركزية بين العمليات.
- خوادم الويب: يمكن استخدام جدولة القرعة لجدولة طلبات العملاء في خادم الويب، مما يضمن استجابة سريعة لجميع العملاء.
- أنظمة قواعد البيانات: يمكن استخدام جدولة القرعة لجدولة الاستعلامات في نظام قاعدة البيانات، مما يحسن الأداء العام للنظام.
- تطبيقات الوسائط المتعددة: يمكن استخدام جدولة القرعة لجدولة مهام معالجة الوسائط المتعددة، مما يضمن تشغيل الفيديو والصوت بسلاسة.
مقارنة مع خوارزميات الجدولة الأخرى
تختلف جدولة القرعة عن خوارزميات الجدولة الأخرى في عدة جوانب. على سبيل المثال:
- مقارنة مع جدولة الدورانية (Round Robin): في جدولة الدورانية، يتم تخصيص فترة زمنية محددة لكل عملية، ويتم تشغيل العمليات بالتناوب. بينما في جدولة القرعة، يتم تخصيص تذاكر يانصيب لكل عملية، ويتم اختيار العملية التي سيتم تشغيلها عن طريق سحب تذكرة عشوائية. جدولة القرعة أكثر مرونة من جدولة الدورانية، حيث يمكن تعديل عدد التذاكر المخصصة لكل عملية ديناميكيًا.
- مقارنة مع جدولة الأولوية (Priority Scheduling): في جدولة الأولوية، يتم تخصيص أولوية لكل عملية، ويتم تشغيل العمليات ذات الأولوية الأعلى أولاً. بينما في جدولة القرعة، يتم تخصيص تذاكر يانصيب لكل عملية، ويتم اختيار العملية التي سيتم تشغيلها عن طريق سحب تذكرة عشوائية. جدولة القرعة أكثر عدالة من جدولة الأولوية، حيث تضمن أن جميع العمليات ستحصل على بعض وقت وحدة المعالجة المركزية، حتى لو كانت ذات أولوية منخفضة.
- مقارنة مع جدولة أقصر مهمة أولاً (Shortest Job First – SJF): في جدولة أقصر مهمة أولاً، يتم تشغيل المهام الأقصر أولاً. جدولة القرعة لا تأخذ في الاعتبار طول المهمة.
تنفيذ جدولة القرعة
يمكن تنفيذ جدولة القرعة في أنظمة التشغيل باستخدام هياكل بيانات مختلفة. أحد الأساليب الشائعة هو استخدام قائمة مرتبطة أو مصفوفة لتخزين معلومات حول العمليات وتذاكرها. يمكن استخدام مولد أرقام عشوائية لاختيار تذكرة الفائز. يجب أن يكون التنفيذ فعالاً لتقليل الحمل الزائد المرتبط بسحب التذاكر بشكل متكرر.
تحسينات على جدولة القرعة
هناك عدة تحسينات يمكن إجراؤها على خوارزمية جدولة القرعة الأساسية، بما في ذلك:
- تعديل حجم الفترة الزمنية: يمكن تعديل حجم الفترة الزمنية المخصصة لكل عملية لتقليل الحمل الزائد أو لتحسين الاستجابة.
- تعديل عدد التذاكر ديناميكيًا: يمكن تعديل عدد التذاكر المخصصة لكل عملية ديناميكيًا بناءً على سلوكها أو متطلباتها.
- استخدام تقنيات التعويض: يمكن استخدام تقنيات التعويض لضمان حصول العمليات التي لم تفز باليانصيب لفترة طويلة من الزمن على فرصة أكبر للفوز في المستقبل.
خاتمة
جدولة القرعة هي خوارزمية جدولة بسيطة وعادلة ومرنة يمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات. على الرغم من وجود بعض العيوب، إلا أن المزايا تفوق العيوب في العديد من الحالات. يمكن تحسين الخوارزمية الأساسية بعدة طرق لتحسين الأداء وتقليل الحمل الزائد. تعتبر جدولة القرعة خيارًا جيدًا عندما تكون العدالة والاستجابة مهمتين.