[운영체제] 프로세스 스케줄링

스케줄링

• 여러가지 작업의 처리순서를 결정하는 것
  
• ex) 프로세스 스케줄링, 디스크 스케줄링
  
  

1. 프로세스 스케줄링
   
   • 주어진 프로세스가 여러 개인 경우, 프로세스 처리순서를 경정하는 것
     
     

2. 스케줄링 단계
   1) 상위단계 스케줄링 : 작업큐 > 준비큐. 프로세스 생성. 시스템의 자원을 효율적으로 이용 할 수 있도록 함
   2) 하위단계 스케줄링 : 준비큐 > CPU. 활성화 단계. 준비중인 프로세스를 사용 가능한 CPU에 배당(디스패치)
   3) 중간단계 스케줄링 : 활성화된 프로세스들을 일시중지. 시스템의 단기적인 부하를 조절
   
   

3. 스케줄링 기본 목표
   
   • 공정성 : 모든 프로세스가 적정 수준에서 CPU 작업을 할 수 있게 함
     
   • 균형 : 시스템 자원이 충분히 활용될 수 있게 함
     
     

4. 운영체제의 유형에 따른 스케줄링의 목표
   1) 일괄처리 운영체제
   - 처리량의 극대화 (주어진 시간에 처리한 프로세스 수)
   - 반환시간의 최소화 (반환시간 : 프로세스 생성시점부터 종료시점까지의 소요시간)
   - CPU 활용의 극대
   
   

   2) 시분할 운영체제
   - 빠른 응답시간 (요청한 시점부터 반응이 시간되는 시점까지의 소요시간)
   - 과다한 대기시간 방지 (프로세스가 종료될 때까지 준비 큐에서 기다린 시간의 합)
   
   

   3) 실시간 운영체제
   - 처리기한 맞춤
   
   

스케줄링 정책

스케줄링의 목표에 따라 우선적으로 고려해야 할 기본적인 정책

1. 선점 스케줄링 정책
   
   • 실행 중인 프로세스에 인터럽트를 걸고 다른 프로세스에 CPU를 할당할 수 있는 스케줄링 방식
     
   • 높은 우선순위의 프로세스를 우선 처리해야 하는 경우에 유용
     
   • 문맥 교환에 따른 오버헤드 발생
     
     • 문맥 : CPU의 모든 레지스터와 기타 운영체제에 따라 요구되는 프로세스의 상태
       
     • 문맥 교환 : CPU가 현재 실행하고 있는 프로세스의 문맥을 PCB에 저장하고, 다른 프로세스의 PCB로부터 문맥을 복원하는 작업
       
     • 운영체제는 문맥 교환이 매우 빠르게 실행되도록 만들어야 함
       
       
2. 비선점 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 오버헤드가 발생하지 않음
     
   • 긴 프로세스가 실행 중이라면 짧은 프로세스가 오래 기다리게 되는 경우 발생
     
     

3. 스케줄링의 평가 기준
   1) 평균 대기 시간
   - 각 프로세스가 수행이 완료될 때까지 준비 큐에서 기다리는 시간의 합의 평균 값
   
   

   2) 평균 반환 시간
   - 각 프로세스가 생성된 시점부터 수행이 완료된 시점까지 소요시간의 평균값
   
   

스케줄링 알고리즘

1. 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 운영체제에서는 부적합)
     
   • 단점 : 프로세스들의 도착순서에 따라 평균반환시간이 크게 변함
     
     
2. SJF 스케줄링 (Shortest Job First)
   
   • 비선점 방식
     
   • 준비 큐에서 기다리는 프로세스 중 실행시간이 가장 짧다고 예상되는 것을 먼저 디스패치
     
   • 장점 : 일괄처리 환경에서 구현하기 쉬움
     
   • 단점 : 실제로는 먼저 처리할 프로세스의 CPU 시간을 예상할 수 없음
     
   • 단점 : 새로 들어온 짧은 프로세스가 긴 프로세스를 기다리거나 중요한 프로세스가 나중에 수행될 수도 있음 (시분할 운영체제나 실시간 운영체제에서는 부적합)
     
     
3. SRT 스케줄링 (Shortest Remaining Time)
   
   • SJF 알고리즘의 선점 방식
     
   • 장점 : SJF보다 평균대기시간이나 평균반환시간에서 효율적
     
   • 단점 : 실제로는 프로세스의 CPU 시간을 예상할 수 없음
     
   • 단점 : 각 프로세스의 실행시간 추적, 선점을 위한 문맥 교환 등 SJF보다 오버헤드가 큼
     
     
4. RR (Round Robin)
   
   • 선점 방식
     
   • 준비 큐에 도착한 순서대로 디스패치하지만 정해진 시간 할당량에 의해 실행 제한
     
     
   • 시간 할당량 안에 종료하지 못한 프로세스는 준비 큐의 마지막에 배치 됨
     
   • 장점 : CPU를 독점하지 않고 공평하게 이용 (시분할 운영체제에 적합)
     
   • 단점 : 시간 할당량이 너무 크면 FCFS 스케줄링과 동일
     
   • 단점 : 시간 할당량이 너무 작으면 너무 많은 문맥 교환 발생으로 오버헤드가 커짐
     
     
5. HRN 스케줄링 (Highest Response Ratio Next)
   
   • 비선점 방식
     
   • 준비 큐에서 기다리는 프로세스 중 응답비율이 가장 큰 것을 먼저 디스패치
     
   • 응답비율 = (대기시간+예상 실행시간)/예상 실행시간 = 대기시간/예상실행시간+1
     
   • 예상실행시간이 짧을수록, 대기시간이 길수록 응답비율이 커짐
     
   • 장점 : SJF 스케줄링의 단점을 보완
     
   • 장점 : 예상실행시간이 긴 프로세스도 오래 대기하면 응답비율이 커져 나중에 들어오는 짧은 프로세스보다 먼저 디스패치 가능
     
   • 단점 : 실제로는 프로세스의 CPU 시간을 예상할 수 없음
     
     
6. 다단계 피드백 큐 스케줄링
   
   • 선점 방식
     
   • I/O 중심 프로세스와 연산 중심 프로세스의 특성에 따라 서로 다른 시간 할당량 부여
     
   • 단계 1부터 단계 n까지 하나씩의 준비 큐 존재
     
   • 단계 k는 단계 k+1에 피드백
     
   • 단계가 커질수록 시간 할당량도 커짐
     
   • 디스패치 후 대기상태로 갔다가 준비상태가 될 때는 현재와 동일한 단계의 준비 큐에 배치
     
   • 시간 할당량을 다 썼으면 다음 단계의 준비 큐로 이동 배치
     
   • 단계 k의 준비큐에 있는 프로세스가 디스패치 되려면 단계 1부터 k-1까지의 모둔 준비큐가 비어있어야만 함
     
   • 특징 : I/O 위주 프로세스는 높은 우선권 유지, 연산 위주의 프로세스는 낮은 우선권이지만 긴 시간 할당량