3강. 프로세스 스케줄링

1. 프로세스 스케줄링

• 스케줄링
  • 여러 가지 작업의 처리순서를 결정하는 것
  • ex ) 프로세스 스케줄링, 디스크 스케줄링 등
• 프로세스 스케줄링
  • 주어진 프로세스가 여러 개인 경우, 프로세스 처리순서를 결정하는 것

2. 스케줄링 단계

• 1. 시스템에 들어오는 작업들 대상으로 상위 단계 스케줄링 →
  • 시스템의 자원을 효율적으로 이용할 수 있도록 함
• 1. 활성화된 작업들 내에서 하위단계 스케줄링 →
  • 준비 큐에 있는 프로세스를 선택하여 사용가능한 CPU를 할당( 디스패치 )하는 역할
  • 수행 주체 : 디스패처( dispatcher )
• 1. 작업이 너무 많을 때는 중간단계 스케줄링 실행
  • 중간단계 스케줄링은 일시 중지된 작업과 활성화된 작업들 사이에서 시스템에 대한 단기적인 부하를 조절

3. 스케줄링의 목표

• 기본 목표
  • 공정성 : 모든 프로세스가 적정 수준에서 CPU 작업을 할 수 있게 함
  • 균형 : 시스템 자원이 충분히 활용될 수 있게 함
• 운영체제의 유형에 따른 스케줄링의 목표
  • 일괄처리 운영체제
    • 처리량의 극대화
      • 처리량이란 주어진 시간에 처리하는 프로세스의 수
    • 반환시간의 최소화
      • 반환시간이란 프로세스 생성 시점부터 종료 시점까지의 소요시간
    • CPU 활용의 극대화
  • 시분할 운영체제
    • 빠른 응답시간
      • 응답시간이란 요청한 시점부터 반응이 시작되는 시점까지의 소요시간
    • 과다한 대기시간 방지
      • 대기시간이란 프로세스가 종료될때까지 준비 큐에서 기다린 시간의 합
  • 실시간 운영체제
    • 처리기한 맞춤

4. 스케줄링 정책

• 스케줄링의 목표에 따라 우선적으로 고려해야 할 기본적인 정책
• 종류
  • 선점 스케줄링 정책
  • 비선점 스케줄링 정책

5. 선점( Preemptive ) 스케줄링 정책

• 실행 중인 프로세스에 인터럽트를 걸고 다른 프로세스에 CPU를 할당할 수 있는 스케줄링 방식
• 높은 우선순위의 프로세스를 우선 처리해야 하는 경우에 유용
  • 실시간 시스템, 시분할 시스템
• 문맥 교환에 따른 오버헤드 발생
  • 문맥이란? ( Context )
    • CPU의 모든 레지스터와 기타 운영체제에 따라 요구되는 프로세스의 상태
  • 문맥 교환이란? ( Context Switching )
    • CPU가 현재 실행하고 있는 프로세스의 문맥을 PCB에 저장하고 다른 프로세스의 PCB로부터 문맥을 복원하는 작업
  • 운영체제는 문맥 교환이 매우 빠르게 실행되도록 만들어져야 함

6. 비선점( Nonpreemptive ) 스케줄링 정책

• 실행 중인 프로세스를 바로 준비상태로 전이시킬 수 없는 스케줄링 방식
• CPU를 할당받아 실행이 시작된 프로세스는 대기상태나 종료상태로 전이될 때까지 계속 실행상태에 있게 됨
• 강제적인 문맥 교환이 없어 오버헤드 발생하지 않음
• 긴 프로세스가 실행 중이라면 짧은 프로세스가 오래 기다리게 되는 경우 발생

7. 스케줄링의 평가 기준

• 평균 대기 시간
  • 각 프로세스가 수행이 완료될 때까지 준비 큐에서 기다리는 시간의 합의 평균값
• 평균 반환 시간
  • 각 프로세스가 생성된 시점부터 수행이 완료된 시점까지의 소요시간의 평균값

8. 스케줄링 알고리즘의 종류

• FCFS 스케줄링
• SJF 스케줄링
• SRT 스케줄링
• RR 스케줄링
• HRN 스케줄링
• 다단계 피드백 큐 스케줄링

9. FCFS 스케줄링 ( First-Come First-Served )

• 비선점 방식
• 준비 큐에 도착한 순서에 따라 디스패치
• 장점
  • 가장 간단한 스케줄링 기법
• 단점
  • 짧은 프로세스가 긴 프로세스를 기다리거나 중요한 프로세스가 나중에 수행될 수도 있음
    • 시분할 운영체제나 실시간 운영체제에는 부적합
  • 프로세스들의 도착순서에 따라 평균반환시간이 크게 변함
    • 예측하기 힘듦

10. SJF 스케줄링 ( Shortest Job First )

• 비선점 방식
• 준비 큐에서 기다리는 프로세스 중 실행 시간이 가장 짧다고 예상되는 것을 먼저 디스패치
• 장점
  • 일괄처리 환경에서 구현하기 쉬움
• 단점
  • 실제로는 먼저 처리할 프로세스의 CPU 시간을 예상할 수 없음
  • 새로 들어온 짧은 프로세스가 긴 프로세스를 기다리거나 중요한 프로세스가 나중에 수행될 수도 있음
    • 시분할 운영체제나 실시간 운영체제에는 부적합

11. SRT 스케줄링 ( Shortest Remaining Time )

• SJF 알고리즘의 선점 방식
• 준비 큐에서 기다리는 프로세스 중 남은 실행시간이 가장 짧다고 예상되는 것을 먼저 디스패치
• 장점
  • SJF보다 평균대기시간이나 평균반환시간에서 효율적임
• 단점
  • 실제로는 프로세스의 CPU 시간을 예상할 수 없음
  • 각 프로세스의 실행시간 추적, 선점을 위한 문맥 교환 등 SJF보다 오버헤드가 큼

12. RR 스케줄링 ( Round Robin )

• 선점 방식
• 준비 큐에 도착한 순서대로 디스패치를 하지만 정해진 시간 할당량에 의해 실행 제한
• 시간 할당량 안에 종료하지 못한 프로세스는 준비 큐의 마지막에 배치됨
• 장점
  • CPU를 독점하지 않고 공평하게 이용
    • 시분할 운영체제에 적합
• 단점
  • 시간 할당량이 너무 크면 FCFS 스케줄링과 동일
  • 시간 할당량이 너무 작으면 너무 많은 문맥 교환 발생으로 오버헤드가 커짐

13. HRN 스케줄링 ( Highest Response Ratio Next )

• 비선점 방식
• 준비 큐에서 기다리는 프로세스 중 응답비율이 가장 큰것을 먼저 디스패치
  • 응답비율 = ( 대기시간 + 예상 실행시간 ) / 예상 실행시간
  • 예상 실행시간이 짧아질수록, 대기시간이 길수록 응답비율이 커짐
• 장점
  • SJF 스케줄링의 단점을 보완
    • 예상실행시간이 긴 프로세스도 오래 대기하면 응답비율이 커져 나중에 들어오는 짧은 프로세스보다 먼저 디스패치 가능
• 단점
  • 실제로는 프로세스의 CPU 시간을 예상할 수 없음

14. 다단계 피드백 큐 스케줄링

• 선점 방식
• I/O 중심 프로세스와 연산 중심 프로세스의 특성에 따라 서로 다른 시간 할당량 부여
• 단계 1부터 단계 n까지 하나씩 준비 큐 존재
• 단계 k는 단계 k+1에 피드백
• 단계가 커질수록 시간 할당량도 커짐
• 전단계가 모두 끝나야지 다음 단계가 실행
• 방법
  • 디스패치 후 대기상태로 갔다가 준비상태가 될 때에는 현재와 동일한 단계의 준비 큐에 배치
  • 시간 할당량을 다 썼으면 다음 단계의 준비 큐로 이동 배치
  • 단계 의 준비 큐에 있는 프로세스가 디스패치되려면 단계 1부터 단계 -1까지 모든 준비 큐가 비어 있어야만 함
• 특징
  • I/O 위주 프로세스는 높은 우선권 유지
  • 연산 위주의 프로세스는 낮은 우선권이지만 긴 시간 할당량