9장. 프로세스의 스케줄링(Scheduling)
- 대부분의 운영체제는 멀티 프로세스 기반 운영체제이며, 실행중인 모든 프로세스들에게 골고루 CPU를 할당하는 일은 운영체제의 일부분에 담당하는 스케줄러가 담당하는 일이다.
1. 일반 OS와 리얼타임(Real Time) OS의 차이점
RTOS와 일반 OS의 차이는 응답성(응답속도)에 있다.
- RTOS는 응답성이 Windows와 같은 일반 OS보다 좋다.
Windows나 Linux와 같은 일반 OS는 특수한 목정이 정해져 있는 OS가 아닌 범용적인 사용을 위해서 디자인 된 OS이다.
- 컴퓨터를 잘 모르는 사람도 쉽게 사용할 수 있도록 디자인되어 있는 OS이기 때문에, 사용자가 명령하는 일 이외에도 하는 일이 많다.
- 따라서, 눈에 보이지 않지만 현재 진행중인 일이 많기 때문에 일에 대한 응답성이 RTOS에 비해서 상대적으로 느리다.
RTOS는 범용적인 OS보다 하는 일이 적고, 사용하는 영역이 제한적이다.
- 일반적인 OS에 반해서 RTOS는 프로그래머가 시키지 않은 일은 하지 않는다.
- 따라서, 시키는 일에 대한 응답성이 일반적인 OS에 비해서 상대적으로 빠르다.
RTOS는 일반 OS에 비해서 속도가 빠른 것이 아니다.
- 사용되는 목적이 구체적이고 제한적이기 때문에 보다 단순하게 디자인되어 있고 일반 OS에 비해서 훨씬 가벼우므로 응답성이 좋다.
2. Soft RTOS vs Hard RTOS
Soft RTOS
- 앞서 설명한 RTOS는 일반 OS와 별 차이가 없지만, 하는 일이 특화되어 있기 때문에 일반 OS에 비해서 단순이 응답성이 좋은 것 뿐이라고 했다. 이러한 RTOS를 가리켜 Soft RTOS라고 한다.
- 우리가 접하는 대부분의 RTOS는 Soft RTOS이다.
Hard RTOS
- 전통적으로 말하는 RTOS는 Hard RTOS이다.
- 일반 OS에 비해서 단순히 응답성이 좋은 정도로 설명되지 않고, 데드라인을 중요하게 생각한다.
- 데드라인은 정말로 시간에 Critical한 상황에서 발생하고, 이러한 능력을 충족시키는 RTOS를 가리켜 Hard RTOS라고 한다.
- 데드라인 충족은 단순히 CPU의 속도가 빠르다고 해서 만족되는 것이 아니기 때문에 Hard RTOS를 디자인하는 것은 결코 쉬운 일이 아니며, 일반 OS와는 전혀 다른 알고리즘으로 스케줄러가 디자인되어야 한다.
3. 선점형(Preemptive) OS와 비선점형(Non-Preemptive) OS
- 프로세스의 실행을 다른 프로세스로 넘기는 방식에 따라서 선점형 OS와 비선점형 OS를 구분한다.
비선점형 OS
- 비선점형 OS는 현재 실행중인 프로세스보다 높은 우선순위으 프로세스가 등장한다고 해서 실행의 대상을 바로 변경하지 않는다.
- 새로 등장한, 보다 높은 우선순위의 프로세스가 실행되기 위해서는 현재 실행중인 프로세스가 명시적으로 CPU를 양보할 때 까지 또는 I/O 작업 등으로 현재 실행중인 프로세스가 블로킹 상태에 놓일 때 까지 기다려야 한다.
- 오늘 날 대부분의 OS는 프로그래머가 사용하는 키보드, 혹은 마우스 입력에 민감하게 반응하고 프로그래머와 대화를 계속하면서 그 결과에 따라 프로그램을 구동하는데, 이러한 시스템을 인터렉티브 시스템이라고 한다. 비선점형 OS의 경우 이러한 인터렉티브한 프로그램을 구현 시 프로그래머의 의존도가 높아지는 문제점이 생긴다.
선점형 OS
- 선점형 OS는 현재 실행중인 프로세스보다 높은 우선순위의 프로세스가 등장하면 스케줄러에 의한 실행순서 조정이 적극적으로 가해진다.
- 비선점형 OS에 비해서 선점형 OS는 스케줄러에 의해 프로세스의 우선순위에 의한 실행순서가 적절하게 조절되므로, 스케줄러의 하는 일이 많다.
- 따라서, 오늘 날 대부분 사용되는 둘 이상의 프로세스를 동작시키는 멀티 프로세스 기반 OS에 적합하다.
- 오늘 날 우리가 접하는 모든 OS(Windows)는 선점형 OSdlek.
- RTOS도 선점형 OS에 포함된다.
4. 우선순위(Priority) 스케줄링 알고리즘
- Windows에서 채택하고 있는 대표적인 선점형 스케줄링 알고리즘 중 하나인 우선순위 스케줄링 알고리즘은 각각의 프로세스마다 우선순위를 부여해서 우선순위가 높은 프로세스를 먼저 실행시키는 방식이다.
우선순위가 7인 프로세스와 우선순위가 2인 프로세스를 동시에 실행시키면 어떻게 될까?
1. 보편적인 운영체제에서는 우선순위가 2인 프로세스는 결코 실행되지 않는다.
- 우선순위 스케줄링 알고리즘은 우선순위가 높은 프로세스를 먼저 실행하는 알고리즘이기 때문에, 우선순위가 높은 프로세스가 작업을 마쳐야 그 다음 우선순위의 프로세스가 실행되기 때문
- 이 때, 우선순위 2인 프로세스는 기아(Starvation) 상태에 빠지게 된다.
2. 높은 우선순위 프로세스가 I/O 관련 작업을 하는 과정에서, 낮은 우선순위 프로세스가 실행 기회를 얻을 수 있다.
- 대부분의 프로그램은 상당 시간을 I/O에 할애하게끔 설계되어 있기 때문에, 의외로 쉽게 낮은 우선순위 프로세스가 실행 기회를 얻을 수 있다.
- 즉, 낮은 우선순위의 프로세스가 기아(Starvation) 상태에 빠지는 것은 생각보다 드문 일이다.
5. 라운드 로빈(Round-Robin) 스케줄링 알고리즘
- Windows에서 채택하고 있는 대표적인 선점형 스케줄링 알고리즘 중 하나인 라운드 로빈 스케줄링 알고리즘은 우선순위가 동일한 프로세스의 경우, 형평성 유지를 위해서 정해진 시간 간격만큼만 실행을 하고 우선순위가 동일한 다른 프로세스에게 CPU의 할당을 넘기는 방식을 제공한다.
- 실행의 최소 단위 시간 간격을 가리켜 퀀텀(Quantum) 혹은 타임 슬라이스(Time Slice)라 한다.
- 동일한 우선순위으 모든 프로세스들은 이 타임 슬라이스를 기준으로 CPU의 할당을 넘기게 된다.
- 타임 슬라이스를 길게 하면 마우스로 드래그 앤 드롭을 하는 반응과 같은 인터렉티브한 시스템에서 문제가 발생할 수 있다.
- 타임 슬라이스를 짧게 하면 그만큼 컨텍스트 스위칭이 자주 발생해서 성능에 저하를 가져다 준다.
Windows는 우선순위 기반과 라운드 로빈 기반 알고리즘을 적절히 혼용하여 선점형 운영체제 특성을 나타내도록 디자인되었다.
6. 스케줄링 알고리즘에 의해서 스케줄링이 진행되는 시점
선점형 운영체제(OS)를 디자인하는 상황에서, 어느 시점에 스케줄러가 동작하도록 디자안하면 좋을까?
라운드 로빈 방식의 스케줄링 알고리즘 관점
- 라운드 로빈 방식의 스케줄링은 타임 슬라이스를 기준으로 스케줄링이 동작한다.
- 따라서, 정해진 시간이 지나고 다음 프로세스에게 실행 순서를 넘길 때 즉, 프로세스의 실행시간 간격에 해당하는 매 타임 슬라이스마다 스케줄러는 동작해야 한다.
우선순위 방식의 스케줄링 알고리즘 관점
- 새로운 프로세스가 등장할 때 마다, 현재 실행중인 프로세스와 새로운 프로세스의 우선순위를 비교해야 하므로 새로운 프로세스가 생성될 때 마다 스케줄러가 동작해야 한다.
- 현재 실행중인 프로세스가 종료될 때, 다른 프로세스를 실행시켜야 되므로 이 때에도 스케줄러가 동작해야 한다.
블로킹 상황
- 현재 실행중인 프로세스가 블로킹 상태에 놓이면, 다음 실행될 프로세스 선정을 위해 스케줄러가 동작해야 한다.
7. Priority Inversion
- 정해진 프로세스의 우선순위가 뒤바뀌는 현상
- 이 문제에 대한 해결방법은 운영체제별로 다양하다.
Reference
