운영체제 - CPU 스케줄링(우선순위, 스케줄링 큐, 선점 및 비선점형 스케줄링)

CPU 스케줄링이란?

운영체제가 프로세스들에게 공정하고 합리적으로 CPU자원을 배분하는 것이다.

 

가장 공정한 CPU 스케줄링은 무엇일까?

CPU를 사용하고 싶ㅇ하는 프로세스들에게 차례로 돌아가면 CPU를 이용하게 하는 방법이 있다. 즉 먼저 말한 프로세스 순서대로 CPU를 이용하게 하는 방법이다. 하지만 이는 좋은 방법이 아니다.

 

프로세스마다 우선순위가 다르기 때문이다.

예를 들어 입출력 작업이 많은 프로세스(=입출력 집중 프로세스)의 우선순위는 CPU작업이 많은 프로세스(=CPU 집중 프로세스)보다 우선순위가 높다.

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CPU 버스트(CPU burst)는 CPU를 이용하는 작업 입출력 버스트(I/O burst)는 입출력을 기다리는 작업이라 부른다. 

즉 프로세스는 일반적으로 CPU버스트와 입출력 버스트를 반복하여 실행된다고 볼 수 있다. 그래서 입출력 집중 프로세스는 입출력 버스트가 많은 프로세스, CPU 집중 프로세스는 CPU 버스트가 많은 프로세스라고 정의할 수 있다.

출처 : https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard

입출력 집중 프로세스(I/O bound process)

비디오 재생이나 디스크 백업 작업을 담당하는 프로세스와 같이 입출력 작업이 많은 프로세스

입출력 집중 프로세스는 실행 상태보다는 입출력을 위한 대기 상태에 더 많이 머무르게 된다. 

 

CPU 집중 프로세스(CPU bound process)

복잡한 수학, 연산,컴파일, 그래픽 처리 작업을 담당하는 프로세스

CPU집중 프로세스는 대기 상태보다 실행 상태에 더 많이 머무르게 된다.

 

효율적인 CPU 스케줄링

CPU집중 프로세스와 입출력 집중 프로세스가 모두 동일한 빈도로 CPU를 사용하는 것은 비합리적이다. 

입출력 집중 프로세스가 대기 상태에 들어가게 되면 빠르게 CPU를 양보하고 다른 프로세스에게 CPU를 할당한다. 왜냐하면 입출력 장치가 입출력 작업을 완료하기 전끼자 입출력 집중 프로세스는 어짜피 대기 상태가 될 예정이기 때문에 입출력 집중 프로세스를 얼른 먼저 처리해 버리면 다른 프로세스가 CPU를 사용할 수 있기 때문이다.

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우선순위(Priority)

운영체제는 각 프로세스의 PCB에 우선순위를 명시하고 PCB에 적힌 우선순위를 기준으로 먼저 처리할 프로세스를 결정한다. 우선순위가 높은 프로세스는 더 빨리 더 자주 실행된다.

https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard

 

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스케줄링 큐

PCB에 우선순위가 적혀 있다고 하지만 CPU를 사용할 다음 프로세스를 찾기 위해 운영체제가 일일이 모든 프로세스의 PCB를 뒤적거리는 것은 비효율적이다. CPU를 원하는 프로세스들은 한 두개가 아니고 CPU를 요구하는 새로운 프로세스는 언제든 생길 수 있기 떄문이다.

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그래서 운영체제는 프로세스들에게 줄을 서서 기다릴 것을 요구한다. 그리고 이 줄을 스케줄링 큐로 구현하고 관리한다.

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자료구조에서의 큐와 스케줄링에서의 큐는 다르다.

자료구조에서의 큐는 선입선출 구조이지만 스케줄링 큐에서는 반드시 선입선출이 아닐 수 있다.

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01 준비 큐(ready queue)

CPU를 이용하고 싶은 프로세스들이 서는 줄이다. 준비 상태에 있는 프로세스들의 PCB는 준비 큐의 마지막에 삽입된다. PCB는 프로세스에 대한 정보를 담고 있으며 준비 상태에서 CPU를 사용할 차례를 기다린다.운영체제는 PCB들이 큐에 삽입한 순서대로 프로세스를 하나씩 꺼내어 실행하되 그 중 우선순위가 높은 프로세스를 먼저 실행한다.

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02 대기 큐(waiting queue)

입출력 장치를 이용하기 위해 기다리는 줄이다. 입출력 작업이 필요한 프로세스 중 같은 장치를 요구한 프로세스들은 같은 대기 큐에서 기다린다. 입출력이 완료되어 완료 인터럽트가 발생하면 운영체제는 대기 큐에서 작업이 완료된 PCB를 찾고 이 PCB를 준비 상태로 변경한 뒤 대기 큐에서 제거한다. 그리고 준비큐로 이동한다.

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선점형 스케줄링(preemptive scheduling)

프로세스가 CPU를 비롯한 자원을 사용하고 있더라도 운영체제가 프로세스로부터 자원을 강제로 빼앗아 다른 프로세스에 할당할 수 있는 스케줄링 방식이다. 즉 운영체제는 현재 실행 중인 프로세스의 실행을 중단하고 다른 프로세스에게 CPU를 할당할 수 있다. 이는 여러 프로세스 간의 경쟁에서 더 높은 우선 순위의 프로세스가 먼저 실행되도록 할 수 있다.

장점 

1) 자원 공정 분배 : 높은 우선 순위를 가진 프로세스에게 빠르게 CPU를 할당함으로써 자원 독점을 방지하고 시스템 전체에 자원이 공정하게 분배된다.

2) 응답 시간 감소 : 빠른 문맥 교환으로 높은 우선순위 프로세스가 빠르게 응답하게 할 수 있다.

단점

1) 오버헤드 발생 : 빈번한 문맥교환때문에 오버헤드가 발생할 수 있다.

2) 좀비 프로세스 문제 : 무한 루프에 빠진 프로세스가 높은 우선순위로 계속해서 CPU를 선점하게 되면 시스템에 문제를 발생시킬 수 있다.

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비선점형 스케줄링(non-preemptive scheduling)

하나의 프로세스가 자원을 사용하고 있다면 그 프로세스가 종료되거나 스스로 대기 상태에 접어들기 전까진 다른 프로세스가 끼어들 수 없는 스케줄링 방식이다. 그러므로 한 번 CPU를 할당받은 프로세스는 해당 작업이 완료될 때까지 계속해서 CPU를 보유한다.

장점 

1) 문맥 교환 오버헤드 감소 : 선점형 스케줄링에 비해 문맥교환 오버헤드가 적다.

2) 쉬운 구현 : 선점형에 비해 구현이 간단하다.

단점

1) 자원 효율 성 감소 : 현재 실행중인 프로세스가 CPU를 계속해서 보유하면서 다른 프로세스들이 대기해야 하는 경우 발생할 수 있어 자원 효율성이 감소할 수 있다.

2) 응답 시간 증가 : 높은 우선순위의 프로세스가 대기해야 할 경우 해당 프로세스의 응답시간이 증가할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

참고 :  본 내용은개발자를 위한 컴퓨터공학 1: 혼자 공부하는 컴퓨터구조 + 운영체제강의를 수강하여 작성하였습니다. https://www.inflearn.com/course/%ED%98%BC%EC%9E%90-%EA%B3%B5%EB%B6%80%ED%95%98%EB%8A%94-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0%EA%B5%AC%EC%A1%B0-%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C/dashboard