1. 프로세스 스케줄링

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

스케줄링 단계

• 상위단계 스케줄링
  • 시스템에 들어오는 작업이 작업 큐에 쌓이면, 그 중 먼저 프로세스로 만들 것을 결정함
    • PC에서는 보통 요청이 들어오면 바로 만들어지므로, 상위단계 스케줄링이 거의 없음
  • 시스템의 자원을 효율적으로 이용할 수 있도록 함
• 중간단계 스케줄링
  • 시스템에 대한 단기적인 부하를 조절하도록 함
    • 예) 부하가 많으면 잠시 대기 상태로 돌림
• 하위단계 스케줄링 ⭐
  • 준비 큐에 있는 프로세스를 선택하여 사용 가능한 CPU를 할당(디스패치)하는 역할
  • 수행 주체: 디스패처(dispatcher)

스케줄링의 목표

스케줄링 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
    • 주어진 시간에 처리한 프로세스 수
  • 반환시간의 최소화
    • 프로세스 생성 시점부터 종료 시점까지의 소요시간
  • CPU 활용의 극대화
• 시분할 운영체제
  • 빠른 응답시간
    • 요청한 시점부터 반응이 시작되는 시점까지의 소요시간
  • 과다한 대기시간 방지
    • 프로세스가 종료될 때까지 준비 큐에서 기다린 시간의 합
• 실시간 운영체제
  • 처리기한 맞춤

스케줄링 정책

스케줄링의 목표에 따라 우선적으로 고려해야 할 기본적인 정책

• 선점 스케줄링 정책
• 비선점 스케줄링 정책

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
  • 운영체제는 문맥 교환이 매우 빠르게 실행되도록 만들어져야 함

문맥과 문맥교환

• 문맥(context)
  • CPU의 모든 레지스터와 기타 운영체제에 따라 요구되는 프로세스의 상태] = CPU의 모든 레지스터에 있는 정보들
• 문맥 교환(context switching)
  • CPU가 현재 실행하고 있는 프로세스의 문맥을 PCB에 저장하고 다른 프로세스의 PCB로부터 문맥을 복원하는 작업

비선점(nonpreemptive) 스케줄링 정책

• 실행 중인 프로세스를 바로 준비 상태로 전이시킬 수 없는 스케줄링 방식
• CPU를 할당받아 실행이 시작된 프로세스는 대기 상태나 종료 상태로 전이될 때까지 계속 실행 상태에 있게 됨
• 강제적인 문맥 교환이 없어 오버헤드 발생하지 않음
  • 입출력 등을 위해 자발적으로 CPU를 반납한 경우(대기 상태로 가는 경우)에는 문맥 교환 발생 가능
• 긴 프로세스가 실행 중이라면 짧은 프로세스가 오래 기다리게 되는 경우 발생

스케줄링의 평가 기준

• 평균대기시간
  • 각 프로세스가 수행이 완료될 때까지 준비 큐에서 기다리는 시간의 합의 평균값
• 평균반환시간
  • 각 프로세스가 생성된 시점부터 수행이 완료된 시점까지의 소요시간의 평균값

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2. 스케줄링 알고리즘

스케줄링 알고리즘의 종류

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

FCFS 스케줄링

FCFS (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

SJF 스케줄링

SJF (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

SRT 스케줄링

SRT (Shortest Remaining Time)

• SJF 알고리즘의 선점 방식
• 준비 큐에서 기다리는 프로세스 중 남은 실행 시간이 가장 짧다고 예상되는 것을 먼저 디스패치

• 장점
  • SJF 보다 평균대기시간이나 평균반환시간에서 효율적임
• 단점
  • 실제로는 프로세스의 CPU 시간을 예상할 수 없음
  • 각 프로세스의 실행시간 추적, 선점을 위한 문맥 교환 등 SJF 보다 오버헤드가 큼

RR 스케줄링

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 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

    → 적당한 시간 할당량을 잡는 것도 운영체제의 역할

HRN 스케줄링

HRN (Highest Response Ratio Next)

• 비선점 방식
• 준비 큐에서 기다리는 프로세스 중 응답비율이 가장 큰 것을 먼저 디스패치
  • 예상실행시간이 짧을수록, 대기시간이 길수록 응답비율이 커짐
    = 짧은 예상시간을 먼저 선택 + 준비 큐에서 오래 기다릴수록 우선순위가 높아짐

• 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

다단계 피드백 큐 스케줄링

MLFQ (MultiLevel Feedback Queue)

• 선점 방식 (라운드 로빈을 확대시킨 것)
• I/O 중심 프로세스와 연산 중심 프로세스의 특성에 따라 서로 다른 시간 할당량 부여
• 단계 1 부터 단계 $n$ 까지 하나씩의 준비 큐 존재
• 단계 $k$ 는 단계 $k$+1 에 피드백
• 단계가 커질수록 시간 할당량도 커짐

• 스케줄링 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 $k$ 의 준비 큐에 있는 프로세스가 디스패치되려면 단계 1 부터 단계 $k$-1 까지 모든 준비 큐가 비어 있어야만 함
    
• 특징
  • I/O 위주 프로세스는 높은 우선권 유지
  • 연산 위주의 프로세스는 낮은 우선권이지만 긴 시간 할당량 (→ 많은 처리 가능)

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