운영체제 5. Process Scheduling

1. Process Scheduling

목차

• 스케줄링의 목적
• 스케줄링 기준 및 단계
• 스케줄링 정책
• 기본 스케줄링 알고리즘들
• case study

1. 스케줄링의 목적

1) 다중 프로그래밍(multi-programming)

• 여러 개의 포르세스가 시스템 내에 존재
• 자원을 할당할 프로세스를 선택해야 함. -> 이것이 곧 스케줄링

  자원 관리

• 시간 분할(time sharing) 관리
  • 하나의 자원을 여러 스레드들이 번갈아가며 사용
  • 예) Processor
  • 프로세스 스케줄링
    • 프로세서 사용시간을 프로세스들에게 분배
• 공간 분할(space sharing) 관리
  • 하나의 자원을 분할하여 동시에 사용
  • 예) 메모리(memory)

2) 스케줄링의 목적

• : 시스템 성능(performance) 향상
• 대표적 시스템 성능 지표(index) (뭐를 성능이라고 할 수 있는가)
  • 응답 시간(response time)
    • 작업 요청(submission)으로부터 응답을 받을때까지의 시간
  • 작업 처리량(throughput)
    • 단위 시간 동안 완료된 작업의 수
  • 자원 활용도(resource utilization)
    • 주어진 시간동안 자원이 활용된 시간
• 목적에 맞는 지표를 고려하여 스케줄링 기법을 선택해야 한다.

3) 대기시간, 응답시간, 반환시간

2. 스케줄링 기준(Criteria) 및 단계

1) 개요

: 스케줄링 기법이 고려하는 항목들을 살펴보는 챕터

• 프로세스 특성
  • I/O -bounded or compute-bounded
• 시스템 특성
  • batch system or interactive system
• 프로세스의 긴급성(urgency)
  • Hard, soft, non real time system
• 프로세스 우선순위(priority)
• 프로세스 총 실행 시간(total service time)
• 등등.....

2) CPU burst vs I/O burst

• 프로세스 수행은 CPU 사용 + I/O 대기로 이루어진다.
• cpu작업 -> I/O 대기 -> cpu 작업 -> I/O대기 ...무한반복
• CPU burst란?
  • CPU 사용 단계
• I/O burst란?
  • I/O 대기 단계
• Burst time은 스케줄링의 중요한 기준 중 하나이다.

3) 스케줄링의 단계(Level)

• 스케줄링 단계란 발생하는 빈도 및 할당 자원에 따른 구분으로 총 3가지로 나뉜다.
  • Long-term scheduling
    • Job scheduling
  • Mid-term scheduling
    • Memory allocation
  • Short-term scheduling
    • Process scheduling

Long-term scheduling

• Job scheduling이다.
  • 시스템에 제출할(kernel에 등록할) 작업(Job) 결정
    • Admission scheduling, High-level scheduling
• 다중 프로그래밍 정도(degree) 결정
  • 시스템 내에 프로세스 수 조절
• I/O-bounded와 compute-bounded프로세스들을 잘 섞어서 선택해야 함.
  • 이유는? 둘중 하나에 작업이 너무 몰리면 나머지 하나는 너무 놀게됨
• 시분할 시스템에서는 모든 작업을 시스템에 등록하기 때문에 long-term 스케줄링이 별로 안중요하다.
  

  Mid-term scheduling

• 메모리 할당 결정(memory allocation)
  • Intermediate-level scheduling
  • Swapping (swap-in/swap-out)
    

    Short-term scheduling

• Process scheduling
  • Low-level scheduling
  • Processor를 할당할 process를 결정
    • Processor scheduler, dispatcher
• 가장 빈번하게 발생
  • Interrupt, block(I/O), time-out, Etc.
  • 매우 빨라야 한다.
    
    

    3. 스케줄링 정책

• 선점(Preemptive) vs 비선점(Non-preemptive)
• 우선순위(Priority)

  선점(Preemptive) vs 비선점(Non-preemptive)

  Non-preemptive scheduling

• 할당 받은 자원을 스스로 반납할 때까지 사용
  • 예) system call I/O, Etc.
• 장점
  • context switch overhead가 적음
• 단점
  • 잦은 우선순위 역전, 평균 응답 시간 증가

    Preemptive scheduling

• 다른 작업에 의해 자원을 뺏길 수 있음
  • 예) 할다 ㅇ시간 종료, 우선순위가 높은 프로세스 등장
• context swtich overhead가 큼
• Time-sharing, real-time system에 적합

Priority

• : 프로세스의 중요도

  Static priority(정적 우선순위)

• 프로세스 생성시 결정된 우선순위가 계속 유지됨.
• 구현이 쉽고 overhead가 적음
• 시스템 환경 변화에 대한 대응이 어려움

  Dynamic priority(동적 우선순위)

• 프로세스의 상태 변화에 따라 priority 변경
• 구현이 복잡, priority 재계산 overhead가 큼
• 시스템 환경 변화에 유연한 대응 가능.

요약

4. 기본 스케줄링 알고리즘들

• FCFS(First-Come-First-Service)
• RR(Round-Robin)
• SPN(Shortest-Process-Next)
• SRTN(Shortest-Ramining time Next)
• HRRN(High-Response-Ratio Next)
• MLQ (Multi-level Queue)
• MFQ (multi-level Feedback Queue)

FCFS(First-Come-First-Service)

• Non-preemptive scheduling
• scheduling criteria(기준)
  • 도착 시간 (ready queue 기준)
  • 먼저 도착한 프로세스를 먼저 처리
• 자원을 효율적으로 사용 가능
• Batch system에 적합, interactive system에 부적함
• 단점
  • convoy effect
    • 하나의 수행시간이 긴 프로세스에 의해 뒤에 들어온 다른 프로세스들이 긴 대기시간을 갖게 되는 현상(대기시간 > 실행 시간)
  • 긴 평균 응답시간(response time)
    

    RR(Round-Robin)

• Preemptive scheduling
• scheduling criteria
  • 도착시간 (ready queue 기준)
  • 먼저 도착한 프로세스를 먼저 처리
• 자원 사용 제한 시간(time quantum)이 있음
  • System parameter
  • 프로세스는 할당된 시간이 지나면 자원 반납(timer-runout)
  • 특정 프로세스의 자원 monopoly 방지
  • context switch overhead가 큼
  • 대화형, 시분할 시스템에 적합

    Time quantum

• 시스템 성능을 결정하는 핵심 요소
• 한 텀에 주어지는 시간을 의미
• 너무 크면? -> 사실상 FCFS가 된다.
• 너무 작으면? -> processor sharing이 된다.
  • 사용자는 모든 프로세스가 각각의 프로세서 위에서 실행되는 것처럼 느낀다.
    • 첵마 프로세서 속도 - 실제 프로세서 성능의 1/n
  • High context switch overhead
    

    SPN(Shortest-Process-Next)

• Non-preemptive scheduling
• scheduling criteria: 실행시간
  • burst time이 가장 작은 프로세스를 먼저 처리
  • SJF(shortest job First) scheduling
    
• 장점
  • 평균 대기시간(WT) 최소화
  • 시스템 내 프로세스 수 최소화
    • 스케줄링 부하 감소, 메모리 절약 -> 시스템 효율 향상
  • 많은 프로세스들에게 빠른 응답 시간 제공
• 단점
  • starvation(무한대기) 현상 발생
    • BT가 긴 프로세스는 뒤로 계속 밀려서 자원 할당 못받을 수도 있음
      • Aging 등로 해결(HRRN)
  • 정확한 실행시간을 알 수 없음
    • 실행시간 예측 기법 필요
      

      SRTN(Shortest-Remaining time Next)

• SPN의 변형
• Preemptive scheduling
  • 잔여 실행 시간이 더 적은 프로세스가 ready 상태가 되면 선점됨
• 장점
  • SPN의 장점 극대화
• 단점
  • 프로세스 생성시, 총 실행 시간 예측이 필요함
  • 잔여 실행을 계속 추적해야 함 = overhead
  • context switching overhead
• 구현이 비현실적

  HRRN(High-Response-Ratio Next)

• SPN의 변형
  • SPN + Aging concepts
• Non-preemptive scheduling
• Aging Concepts
  • 프로세스의 대기 시간(WT)을 고려하여 기회를 제공
• scheduling criteria
  • Response ratio가 높은 프로세스 우선
    
    

    MLQ (Multi-level Queue)

• 작업(or 우선순위)별 별도의 ready queue를 가짐
  • 최초 배정된 queue를 벗어나지 못함
  • 각각의 queue는 자신만의 스케주링 기법 사용
• queue 사이에는 우선순위 기반의 스케줄링 사용
• 장점
  • 빠른 응답시간
• 단점
  • 여러 개의 queue관리 등 스케줄링 overhead
  • 우선순위가 낮은 queue는 starvation 현상 발생 가능
    

    MFQ (multi-level Feedback Queue)

• 프로세스의 queue간 이동이 허용된 MLQ
• Feedback을 통해 우선 순위 조정
  • 현재까지의 processor 사용 정보(패턴) 활용
• 특성
  • Dynamic priority
  • Preemptive scheduling
  • Favor short burst-time processes
  • Favor I/O bounded processes
  • Improve adptability
• 프로세스에 대한 사전 정보 없이 SPN, STRN, HRRN 기법의 효과를 볼 수 있음.
• 단점
  • 설계 및 구현이 복잡, 스케줄링 overhead가 큼
  • starvation 문제 등
    
• 변형
  • 각 준비 큐마다 시간 할당량을 다르게 배정
    • 프로세스 특성에 맞는 형태로 시스템 운영 가능
  • 입출력 위주 프로세스들을 상위 단계의 큐로 이동, 우선 순위 높임
    • 프로세스가 block될 때 상위의 준비 큐로 진입하게 함
    • 시스템 전체의 평균 응답 시간 줄임, 입출력 작업 분산 시킴
  • 대기 시간이 지정된 시간을 초과한 프로세스들을 상위 큐로 이동
    • aging 기법
• Parameters for MFQ scheduling
  • Queue의 수
  • Queue별 스케줄링 알고리즘
  • 우선 순위 조정 기준
  • 최초 Queue 배정 방법