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CPU Scheduling

1. 스케줄링

프로세스(Process)가 구동하려면 다양한 시스템 자원이 필요하다. 대표적으로 CPU(중앙처리장치)와 입출력장치가 있는데, 최고의 성능을 내기 위해 자원을 어떤 프로세스에 얼마나 할당하는지 정책을 만드는 것을 CPU스케줄링이라고 한다.

  • 조건 : 오버헤드 ↓ / 사용률 ↑ / 기아 현상 ↓
  • 목표
    1. Batch System: 가능하면 많은 일을 수행. 시간(time) 보단 처리량(throughout)이 중요
    2. Interactive System: 빠른 응답 시간. 적은 대기 시간.
    3. Real-time System: 기한(deadline) 맞추기.

2. 선점 / 비선점 스케줄링

  • 선점 (preemptive)
    • OS가 CPU의 사용권을 선점할 수 있는 경우, 강제 회수하는 경우
    • 우선 순위가 높은 프로세스를 빠르게 처리해야할 경우 유용.
    • 선점이 일어날 경우, 오버헤드가 발생하며 처리시간을 예측하기 힘듦.
  • 비선점 (nonpreemptive) : 프로세스 종료 or I/O 등의 이벤트가 있을 때까지 실행 보장

3. 프로세스 상태

scheduling-1

  • 비선점 스케줄링 : Interrupt, Scheduler Dispatch
  • 선점 스케줄링 : I/O or Event Wait

프로세스의 상태 전이

✓ 승인 (Admitted) : 프로세스 생성이 가능하여 승인됨.

✓ 스케줄러 디스패치 (Scheduler Dispatch) : 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나를 선택하여 실행시키는 것.

✓ 인터럽트 (Interrupt) : 예외, 입출력, 이벤트 등이 발생하여 현재 실행 중인 프로세스를 준비 상태로 바꾸고, 해당 작업을 먼저 처리하는 것.

✓ 입출력 또는 이벤트 대기 (I/O or Event wait) : 실행 중인 프로세스가 입출력이나 이벤트를 처리해야 하는 경우, 입출력/이벤트가 모두 끝날 때까지 대기 상태로 만드는 것.

✓ 입출력 또는 이벤트 완료 (I/O or Event Completion) : 입출력/이벤트가 끝난 프로세스를 준비 상태로 전환하여 스케줄러에 의해 선택될 수 있도록 만드는 것.

4. CPU 스케줄링의 종류

  • 비선점 스케줄링

    1. FCFS (First Come First Served) == FIFO (First In First Out)
      • 큐에 도착한 순서대로 CPU 할당
      • 실행 시간이 짧은 게 뒤로 가면 평균 대기 시간이 길어짐
    2. SJF (Shortest Job First)
      • 수행시간이 가장 짧다고 판단되는 작업을 먼저 수행
      • FCFS 보다 평균 대기 시간 감소, 짧은 작업에 유리
    3. HRN(Highest response ratio next)
      • 긴 작업과 짧은 작업간의 지나친 불평등을 어느 정도 보완한 기법
      • 수행시간의 길이와 대기 시간을 모두 고려해 우선순위를 정한다.

  • 선점 스케줄링

    1. Priority Scheduling

      • 정적/동적으로 우선순위를 부여하여 우선순위가 높은 순서대로 처리
      • 우선 순위가 낮은 프로세스가 무한정 기다리는 Starvation 이 생길 수 있음
      • Aging 방법으로 Starvation 문제 해결 가능
        • Aging : 분마다 대기 중인 프로세스의 우선순위를 1씩 증가

    2. Round Robin

      • FCFS에 의해 프로세스들이 보내지면 각 프로세스는 동일한 시간의 Time Quantum 만큼 CPU를 할달 받음

        • Time Quantum or Time Slice : 실행의 최소 단위 시간

      • 할당 시간(Time Quantum)이 크면 FCFS와 같게 되고, 작으면 문맥 교환 (Context Switching) 잦아져서 오버헤드 증가

    3. Multilevel-Queue (다단계 큐)

      scheduling-2

      • 작업들을 여러 종류의 그룹으로 나누어 여러 개의 큐를 이용하는 기법

        scheduling-3

      • 우선순위가 낮은 큐들이 실행 못하는 걸 방지하고자 각 큐마다 다른 Time Quantum을 설정 해주는 방식 사용

      • 우선순위가 높은 큐는 작은 Time Quantum 할당. 우선순위가 낮은 큐는 큰 Time Quantum 할당.

    4. Multilevel-Feedback-Queue (다단계 피드백 큐)

      scheduling-4

      • 다단계 큐에서 자신의 Time Quantum 을 다 채운 프로세스는 밑으로 내려가고 자신의 Time Quantum 을 다 채우지 못한 프로세스는 원래 큐 그대로

        • Time Quantum을 다 채운 프로세스는 CPU burst 프로세스로 판단하기 때문
    • 짧은 작업에 유리, 입출력 위주(Interrupt가 잦은) 작업에 우선권을 줌
      • 처리 시간이 짧은 프로세스를 먼저 처리하기 때문에 Turnaround 평균 시간을 줄여줌

5. CPU 스케줄링 척도

  1. Response Time
    • 작업이 처음 실행되기까지 걸린 시간
  2. Turnaround Time
    • 실행 시간과 대기 시간을 모두 합한 시간으로 작업이 완료될 때 까지 걸린 시간

참고자료