[PintOS project] 1. Part 1: Threds - 4.4 BSD like scheduler

@developer/takealittle.time·2024년 11월 11일

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[PintOS project] 1. Part 1: Threds - Priority Donation
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00. 4.4 BSD like Scheduler

4.4 BSD(Berkeley Software Distribution) Scheduler는 Multilevel-Feedback-Queue의 구성으로, 여러 개의 우선순위 큐로 구성되며, 각 큐는 다른 우선순위를 가진다.

00-1. MLFQ에 대해

본격적인 구현에 앞서, MLFQ에 대해 요점만 간단하게 짚고 넘어가자.

MLFQ (MultiLevel-Feedback-Queue)의 구현 이유

짧은 작업을 먼저 실행시켜 반환 시간을 최적화
반환시간: (작업 완료 시간) - (작업 도착 시간)

응답 시간을 최적화 (대화형 사용자가 응답을 바로 받을 수 있도록)
응답 시간: (작업 시작 시간) - (작업 도착 시간)

쉘과 같은 대화형 동작에서, 응답 시간이 빨라야 컴퓨터를 쓸 맛이 날 것이다.
만약, 내가 어떤 실행을 하기 위해 명령어를 입력했는데 앞의 동작들 때문에 실행을 기다려야 한다면 불편할 것이다.

MLFQ 요약

MLFQ는 우선 순위 별로 각각의 큐를 가지고, 아래의 규칙들을 따르는 스케줄링 기법이다.

규칙 1. 우선순위 (A) > 우선순위(B) 일 경우, A가 실행, B는 실행되지 않는다.

규칙 2. 우선순위(A) = 우선순위(B), A와 B는 RR(Round-Robin) 방식으로 실행된다.

규칙 3. 작업이 시스템에 들어가면 최상위 큐에 배치된다.

규칙 4. 작업이 지정된 단계에서 배정받은 시간을 소진하면(CPU를 포기한 횟수와 상관없이), 작업의 우선순위는 감소한다. (즉, 한 단계 아래 큐로 이동한다.)

규칙 5. 일정 주기 S가 지난 후, 시스템의 모든 작업을 최상위 큐로 이동시킨다.

01. 구현에 필요한 추가 자료구조

MLFQ를 구현한다면 결국 필요한 작업은?

Priority에 따라 여러 개의 Ready Queue를 만든다. →"Multi-Level"

Priority를 실시간으로 조절한다. →"Feedback"

우리는 여태까지 우선순위를 기준으로 스케줄링 하도록 작업 했으므로, 2번 특징(Feedback)의 구현만 추가하면 mlfq를 기능적으로 구현할 수 있다.
우선, 구현을 위해 추가해주어야 하는 자료구조들이 있다.

01-1. nice

해당 스레드가 다른 스레드에게 얼마나 CPU를 양보하는지 나타내는 척도
Nice한 스레드일 수록 다른 스레드에게 CPU를 많이 양도할 것!
NICE_MIN = -20, NICE_DEFAULT = 0, NICE_MAX = 20 (클수록 많이 양보)
이 수치가 높으면 priority가 줄어들게 된다.

01-2. load_avg

모든 스레드가 공유하는 공유 변수. (실수값)
최근 1분 동안 수행 가능한 스레드의 평균 개수.
즉, 현재 시스템이 얼마나 혼잡한지, '부하'를 나타내는 척도! = 몇 개의 스레드가 CPU를 놓고 경쟁하고 있는가?
해당 동작을 실행할 때 실행되고 있거나 ready 상태에 있는 스레드의 개수를 나타내는 변수
idle 스레드는 개수에서 제외한다!
초기값은 0으로 세팅.
load_avg = (59/60) * load_avg + (1/60) * ready_threads

01-3. recent_cpu

해당 Thread가 CPU를 점유하고 있는 tick수.
이 수치가 높으면 priority가 줄어들게 된다.

위와 같은 자료 구조를 이용해 각 스레드들의 우선순위를 결정하고, 특정 tick 마다 스레드들의 우선순위를 새로 계산한다!

→ 스레드가 무한정 대기하는 상황을 방지한다.

01-4. 간단한 예제 시나리오

현재 ready_list에 P1, P2, P3 스레드가 존재한다.
load_avg (현재 실행되고 있거나 ready 상태에 있는 thread의 개수)는 3이다.
Tick = 0 일 때)
- 세 스레드의 우선순위가 같으므로 RR 방식으로 스레드 P1을 실행
Tick = 1 ~ 4 일 때 )
- 현재 실행 중인 스레드 P1은 recent_cpu 값이 1씩 증가
Tick = 4 일 때)
- 전체 스레드의 우선순위 재계산
  - priority = PRI_MAX - (recent_cpu/4) - (nice*2)
- priority가 재계산 되어 P2의 우선순위 > P1의 우선순위 상황이 되어 P2가 실행됨.
- P1은 가장 낮은 우선순위를 가지며 ready_list에서 맨 뒤에 삽입 됨.
Tick = 5 ~ 8 일 때 )
- 현재 실행 중인 스레드 P2는 recent_cpu 값이 1씩 증가
Tick = 8 일 때 )
- 전체 스레드의 우선순위 재계산
  - priority = PRI_MAX - (recent_cpu/4) - (nice*2)
- priority가 재계산 되어 P3의 우선순위 > P1의 우선순위 상황이 되어 P3가 실행됨.
  아까 실행되었던 P1은 ready_list에서 맨 뒤에 있으므로.
~~ 이어서 반복)
- 위와 같이 4 tick 마다 우선순위가 재계산 되며 스레드들이 스케줄링 됨.

02. 고정소수점 연산 구현

커널에서는 정수 연산만 지원하고, 소수 연산은 지원하지 않는다.
위에서 recent_cpu 와 load_avg는 실수값을 가지므로, 고정 소수점 연산을 따로 구현해주어야 한다.

아래와 같이 헤더 파일로 작성했다.

/* include/threads/fixed_point.h */

#define F (1 << 14)
#define INT_MAX ((1 << 31) - 1)
#define INT_MIN (-(1 << 31))

// int 형 정수 ->고정 소수점 형식으로 반환
int int_to_fp(int n){
  return n * F;
}
// 고정 수수점 -> 정수로 변환
int fp_to_int (int x){
  return x / F;
}
// 고정 소수점 -> 반올림 -> 정수로 변환
int fp_to_int_round (int x){
  if (x>=0) 
    return (x+F/2)/F;
  else
    return (x-F/2)/F;
}
// 두 고정 소수점 값 더하기
int add_fp (int x, int y){
  return x + y;
}
// 두 고정 소수점 값 빼기
int sub_fp (int x, int y){
  return x - y;
}
// 고정 소수점 값 + 정수 값
int add_mixed (int x, int n){
  return x + n * F;
}

int sub_mixed(int x, int n) {
  return x - n * F;
}

// 두 고정 소수점 값 나누기
int mult_fp (int x, int y){
  return ((int64_t) x) * y / F;
}
// 고정 소수점 값 * 정수 값
int mult_mixed (int x, int n){
  return x * n;
}
// 두 고정 소수점 값 나누기
int div_fp (int x, int y){
  return ((int64_t) x) * F / y;
}
// 고정 소수점 값 / 정수 깂
int div_mixed (int x, int n) {
  return x / n;
}

헤더 파일로 작성했으니, thread.c에서 아래와 같이 헤더 파일을 추가해 사용해주도록 세팅한다.

/* threads/thread.c */

#include "threads/fixed_point.h"

03. MLFQ 구현

03-1. all_list 추가

all-list? 현재 시스템에 존재하는 모든 스레드를 저장하는 전역 리스트.
위에서 보았듯, load_avg 등 스레드의 우선순위를 실시간으로 재계산하는데 필요한 척도들을 계산할 때, 현재 시스템에 존재하는 모든 스레드들에 대한 계산이 필요해진다.

→ 이전까지 구현했던 스케줄링에서는 running중인 스레드, ready_list의 스레드, sleep_list의 스레드 등 현재 시스템에 있는 스레드들이 각자 따로 놀고 있기 때문에 계산하기 복잡하다.

→ all_list로 이를 한꺼번에 관리해 계산을 편학 하자!
all_list를 다음과 같이 선언한다.

/* threads/thread.c */


// ready_list, sleep_list 총괄 리스트
struct list all_list;

thread 구조체에도 위에서 필요했던 변수들과 함께 all_elem을 선언해준다.

/* threads/thread.c */

struct thread {
	...
    
    /* nice값: 클수록 CPU 양보 ↑ */
	int nice;
    
    /* 해당 스레드가 최근 얼마나 많은 CPU time을 사용 했는지 */
	int recent_cpu;
	
    ...
    
    /* all_list에서 사용할 list_elem */
	struct list_elem allelem;

	...
};

위의 요소들을 새로 만들어 주었으니, 각 init 함수에서 초기화를 해주어야 할 것이다.

/* threads/thread.c*/

void
thread_init (void) {


	/* Init the globla thread context */
	...
	list_init(&all_list);
	...
	
}

우선, thread_init 함수에서 위와 같이 all_list를 초기화 한다.

/* threads/thread.c */
static void
init_thread (struct thread *t, const char *name, int priority) {
	...
	// advanced_scheduler의 구현을 위해 아래 코드들 추가
	t->nice = NICE_DEFAULT;
	t->recent_cpu = RECENT_CPU_DEFAULT;
	...
    list_push_back(&all_list, &t->allelem);
}

init_thread() 함수에도 위와 같이 초기화 하는 내용을 추가한다. 스레드의 초기화가 끝나면 해당 스레드를 all_list에 삽입한다.

※ 주의

all_list는 현재 실행 중 스레드, ready 중인 스레드, blocked 상태인 스레드들을 포함하는 리스트이기 때문에, 하나의 스레드가 종료되었다면 all_list에서 삭제처리를 해주어야 한다.
이는 thread_exit() 함수에 다음과 같이 추가해준다.

/* threads/thread.c */

void
thread_exit (void) {
	ASSERT (!intr_context ());

#ifdef USERPROG
	process_exit ();
#endif

	/* Just set our status to dying and schedule another process.
	   We will be destroyed during the call to schedule_tail(). */
	intr_disable ();
	list_remove(&thread_current()->allelem);
	do_schedule (THREAD_DYING);
	NOT_REACHED ();
}

필자는 이 과정을 생각지 못해서 몇 시간을 날려가며 Trouble Shooting을 했다.

03-2. priority, recent_cpu, load_avg에 대한 계산 함수 작성

위에서 개념적으로 설명했던 자료구조들에 대해 계산해주는 함수를 구현해주면 된다.

/* threads/thread.c */

// mlfqs:: 스레드의 priority를 계산하는 함수
void
mlfqs_calc_priority (struct thread *t)
{
	if ( t == idle_thread)
		return;
	t->priority = fp_to_int (add_mixed (div_mixed(t->recent_cpu, -4), PRI_MAX - t->nice * 2));
	if (t->priority > PRI_MAX) t->priority = PRI_MAX;
	if (t->priority < PRI_MIN) t->priority = PRI_MIN;
}

// mlfqs:: 스레드의 recent_cpu 값을 계산하는 함수
void
mlfqs_calc_recent_cpu (struct thread *t)
{

	if (t == idle_thread)
		return;
	
	t->recent_cpu = add_mixed (mult_fp (div_fp (mult_mixed (load_avg,2),add_mixed(mult_mixed(load_avg, 2),1)),t->recent_cpu),t->nice);
}

// load_avg 값을 계산하는 함수
void
mlfqs_calc_load_avg ()
{
	int ready_threads;

	if (thread_current() == idle_thread)
		ready_threads= list_size (&ready_list);
	else
		ready_threads = list_size (&ready_list) + 1;

	load_avg = add_fp(mult_fp(div_fp(int_to_fp(59), int_to_fp(60)),load_avg), mult_mixed(div_fp(int_to_fp(1), int_to_fp(60)), ready_threads));
}

// 1 tick 마다 running 스레드의 recent_cpu 값 + 1
void 
mlfqs_incr_recent_cpu ()
{
	if (thread_current() != idle_thread)
		thread_current()->recent_cpu = add_mixed (thread_current()->recent_cpu, 1);
}

// 4 tick 마다 모든 스레드의 recent_cpu 값 재계산
void 
mlfqs_recalc_recent_cpu()
{
	struct list_elem *e;

	for ( e = list_begin(&all_list); e!=list_end(&all_list); e = list_next(e)) {
		struct thread * t = list_entry(e,struct thread, allelem);
		mlfqs_calc_recent_cpu(t);
	}
}

// 4 tick 마다 모든 스레드의 load_avg 값 재계산
void 
mlfqs_recalc_priority ()
{
	ASSERT(intr_context());

	struct list_elem *e;
	bool need_yield = false;

	for (e = list_begin(&all_list); e != list_end (&all_list); e = list_next(e)) {
		struct thread *t = list_entry(e, struct thread, allelem);
		mlfqs_calc_priority(t);
	}
	// priority의 변화가 일어났으므로, ready_list를 정렬하고, 재스케줄링함.
	list_sort(&ready_list, cmp_thread_priority, NULL);

	if (!list_empty(&ready_list) && thread_current()->priority<list_entry(list_front(&ready_list),struct thread, elem)->priority)
	{
		intr_yield_on_return();
	}
}

03-3. timer_interrupt() 수정

위에서 개념론적으로 설명했던 바와 같이, priority, recent_cpu, load_avg 값을 특정 tick 마다 계산하도록 수정한다.

/* devices/timer.c */

/* Timer interrupt handler. */
static void
timer_interrupt (struct intr_frame *args UNUSED) {
	ticks++;
	thread_tick ();

	if (thread_mlfqs) {
		mlfqs_incr_recent_cpu();
		if (ticks % 4 == 0){
			mlfqs_recalc_priority();
			if (ticks % TIMER_FREQ == 0){
				mlfqs_recalc_recent_cpu();
				mlfqs_calc_load_avg();
			}
		}
	}

	// 매 timer_interrupt 마다 대기 중인 스레드 깨우기
	thread_awake(ticks);
}

03-4. priority donation 기능 비활성화

mlfq에서는 priority donation 기능을 사용하지 않기 때문에, 각 함수에서 donation에 대한 핸들링을 하지 않도록 수정해야 한다.

/* threads/synch.c */
void
lock_acquire (struct lock *lock)
{
  if (thread_mlfqs) {
    sema_down (&lock->semaphore);
    lock->holder = thread_current ();
    return ;
  }
  ...
}

void
lock_release (struct lock *lock) 
{
  lock->holder = NULL;
  if (thread_mlfqs) {
    sema_up (&lock->semaphore);
    return ;
  }
  ...
}

thread_set_priority () 함수도 비활성화 해준다.

/* threads/thread.c */
void
thread_set_priority (int new_priority) 
{
  if (thread_mlfqs)
    return;
  ...
}

03-5. 마지막으로, pintOS에 미리 정의되어 있는 함수들을 채워주자.

/* threads/thread.c */
void thread_set_nice (int);
int thread_get_nice (void);
int thread_get_load_avg (void);
int thread_get_recent_cpu (void);

주의해야 할 점은, 각 함수 내에서 값을 핸들링 할 때 인터럽트를 disable 해 준 상태에서 실행해야 한다는 것이다.

/* threads/thread.c */
void
thread_set_nice (int nice UNUSED) 
{ // 현재 스레드의 nice 값을 새 값으로 설정
  enum intr_level old_level = intr_disable ();
  thread_current ()->nice = nice;
  mlfqs_calculate_priority (thread_current ());
  thread_test_preemption ();
  intr_set_level (old_level);
}

int
thread_get_nice (void) 
{ // 현재 스레드의 nice 값을 반환
  enum intr_level old_level = intr_disable ();
  int nice = thread_current ()-> nice;
  intr_set_level (old_level);
  return nice;
}

int
thread_get_load_avg (void) 
{ // 현재 시스템의 load_avg * 100 값을 반환
  enum intr_level old_level = intr_disable ();
  int load_avg_value = fp_to_int_round (mult_mixed (load_avg, 100));
  intr_set_level (old_level);
  return load_avg_value;
}

int
thread_get_recent_cpu (void) 
{ // 현재 스레드의 recent_cpu * 100 값을 반환
  enum intr_level old_level = intr_disable ();
  int recent_cpu= fp_to_int_round (mult_mixed (thread_current ()->recent_cpu, 100));
  intr_set_level (old_level);
  return recent_cpu;
}

04. 실행 결과

threads 상에 있는 모든 테스트 케이스들에 대해 pass를 확인할 수 있다!

05. Trouble Shooting과 회고

05-1. Trouble Shooting

위에서도 언급했듯, mlfq의 구현 도중 스레드들의 개수를 용이하게 핸들링하기 위해 all_list라는 자료구조를 이용한다. 이 때, '스레드가 종료되면 리스트에서 삭제해 주어야 한다'는 것을 잊으면 mlfq와 관련된 테스트 케이스를 통과할 수가 없다.

절망적인 것은, 마치 interrupt 상에서 오류가 발생한 것처럼 보여지기 때문에, 출력을 보고 디버깅을 하게 되면 애먼 곳만 수정하게 된다.
backtrace로 이전 콜스택을 확인해서도 mlfqs_recalc_priority() 함수 부분에서 문제가 발생한 것을 확인하고, 이 부분만 내내 붙잡고 있었다. 🥲
어떠한 자료구조나 자원을 새로 정의하고 이용할 때는 해당하는 자원의 flow에 대해 한 번 더 고민하고 코드를 작성할 필요가 있는 것 같다.

05-2. PintOS 1주차 회고

처음에는 그저 막막하기만 했던 PintOS의 1주차가 지나갔다. 새벽 2시 이전에 잠 든 날이 없는 것 같다.
그만큼 애도 먹었지만, 굉장히 뿌듯하고 재밌었던 경험이 아닐 수 없다.
OS라는 것은 마치 우리가 숨을 쉬며 살지만 '공기'라는 것을 크게 인식하지 못하고 살 듯 컴퓨터를 사용하면서 어쩌면 당연하게만 느꼈던 것 같다.
이러한 OS를 직접 다뤄본다니.

사람이 숨을 쉬면서 공기를 직접 다뤄봐야겠다는 생각은 잘 안하지 않는가? 나에게는 그 정도의 생소함 이었다.

스레드, 프로세스, 우선순위, 선점, 스케줄링... 학부 때 개념론적으로만 학습하고 '아, 이런 것들이 있구나.' 하고 넘어갔을 때와 지금은 그 이해의 깊이 자체가 달라진 기분이다.

이렇게 거대한 프로젝트를 받아서, 어떤 부분 부분들을 수정해가며 기능을 구현한다는 것 자체가 처음 해 보는 경험이었다. 마치 무인도에 갑자기 표류되었는데, 무엇부터 해야할지 모르겠고 막막했다.
하지만 1주차가 지나가는 현 시점에는 이를 헤쳐나갈 자신감이 생겼다.
이런 경험이 나중에 개발자 생활을 하는데에 있어 어떤 생소한 프로젝트를 핸들링 할 때 도움이 되지 않을까, 싶다.

참고 자료 / 이미지 출처

KAIST:OSLAB:Pintos Slides

https://oslab.kaist.ac.kr/pintosslides/
(KraftonJungle Day61) MLFQS

https://scientific-string-9e5.notion.site/KraftonJungle-Day61-MLFQS-13863eaa993080b693e3d6a9fde76702
[Pintos] Project 1 : Thread(스레드) - Advanced Scheduler (mlfqs)
https://poalim.tistory.com/36

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능동적으로 사고하고, 성장하기 위한. 🌱

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00-1. MLFQ에 대해

MLFQ (MultiLevel-Feedback-Queue)의 구현 이유

MLFQ 요약

01. 구현에 필요한 추가 자료구조

01-1. nice

01-2. load_avg

01-3. recent_cpu

위와 같은 자료 구조를 이용해 각 스레드들의 우선순위를 결정하고, 특정 tick 마다 스레드들의 우선순위를 새로 계산한다!

01-4. 간단한 예제 시나리오

02. 고정소수점 연산 구현

03. MLFQ 구현

03-1. all_list 추가

※ 주의

03-2. priority, recent_cpu, load_avg에 대한 계산 함수 작성

03-3. timer_interrupt() 수정

03-4. priority donation 기능 비활성화

03-5. 마지막으로, pintOS에 미리 정의되어 있는 함수들을 채워주자.

04. 실행 결과

05. Trouble Shooting과 회고

05-1. Trouble Shooting

05-2. PintOS 1주차 회고

참고 자료 / 이미지 출처

KAIST:OSLAB:Pintos Slides

(KraftonJungle Day61) MLFQS

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[WIL] PintOS 프로젝트와 함께 알아보는 병행성과 동기화 도구: Semaphore, Lock, Mutex, Condition Variable, Monitor

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