Chapter 03 운영체제 - 04 CPU 스케줄링 / 05 가상 메모리 (작성중 ...)

[ 스케줄링 ]

베이스 : CPU의 자원은 한정적이다. 프로세스 마다 적절히 나눠 가져야 한다. 배분 방법 -> 스케줄링 

 

✅  우선순위

 

📌 운영체제에서 프로세스 우선순위와 CPU 자원 할당

운영체제(OS)는 다수의 프로세스를 효율적으로 관리하기 위해 각 프로세스의 우선순위를 판단하고, 이를 프로세스 제어 블록(PCB)에 명시함. 일반적으로 우선순위가 높은 프로세스는 CPU 자원을 더 많이, 더 빨리 할당받게 됨.

 

📌 프로세스 우선순위 확인 및 조정

개발자는 프로세스의 우선순위를 조정할 수 있으며, ps 명령어를 이용해 현재 실행 중인 프로세스의 우선순위를 확인할 수 있음. 이를 통해 시스템의 자원 배분 상태를 분석하고 최적화할 수 있음.

 

📌 우선순위 할당 기준

운영체제는 주로 CPU 활용률을 기준으로 프로세스의 우선순위를 결정함. CPU 활용률은 전체 CPU 가동 시간 중 특정 작업을 처리하는 시간의 비율을 의미함. 기본적으로 입출력(I/O) 작업이 많은 프로세스는 높은 우선순위를 유지하는 경향이 있음.

 

📌 프로세스 유형과 우선순위

1. CPU 버스트: 프로세스가 CPU를 이용하여 연산을 수행하는 작업.
2. 입출력 버스트: 프로세스가 입출력 장치를 기다리며 수행하는 작업.
3. 입출력 집중 프로세스: 입출력 작업이 많은 프로세스로, 보통 높은 우선순위를 부여받음.
4. CPU 집중 프로세스: CPU 작업이 많은 프로세스로, 비교적 낮은 우선순위를 가질 수 있음.

 

🔸  운영체제는 입출력 집중 프로세스를 우선 실행하여 시스템이 끊임없이 작동할 수 있도록 하고, CPU 집중 프로세스에는 적절히 CPU를 할당하는 것이 합리적인 방식임. 이를 통해 전체적인 시스템 성능을 최적화할 수 있음.

 

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✅  스케줄링 큐

 

📌 스케줄링 큐란?
🔸  운영체제는 CPU 자원을 필요로 하는 프로세스를 효과적으로 관리하기 위해 스케줄링 큐를 사용함. 
🔸  프로세스가 실행되기 위해서는 큐에 삽입되어 대기해야 하며, 운영체제는 해당 큐를 관리하여 적절한 시점에 프로세스를 실행함.
🔸  스케줄링 큐는 반드시 선입선출(FIFO) 방식으로 동작하지 않을 수도 있음. 운영체제는 프로세스의 우선순위와 다양한 스케줄링 알고리즘을 고려하여 큐에서 프로세스를 선택하여 실행함.

📌  스케줄링 큐의 종류
1. 준비 큐(Ready Queue): CPU를 이용하고자 하는 프로세스의 PCB가 저장되는 큐임. CPU를 할당받기 전까지 이 큐에서 대기하게 됨.
2. 대기 큐(Waiting Queue): 입출력(I/O) 작업을 수행하기 위해 대기하는 프로세스의 PCB가 저장되는 큐임. 프로세스가 실행 중 입출력 요청을 하면 이 큐로 이동함.

🔸 운영체제는 프로세스를 큐에 삽입된 순서대로 실행하되, 프로세스의 우선순위를 고려하여 실행 순서를 조정함. 실행 중인 프로세스가 할당된 시간을 모두 사용하면 다시 준비 큐로 이동하며, 실행 도중 입출력 작업이 필요할 경우 대기 큐로 이동하게 됨.
🔸  이러한 스케줄링 큐를 효율적으로 관리함으로써 운영체제는 시스템 자원을 최적화하고, 프로세스가 원활하게 실행될 수 있도록 조정함.

 

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✅  선점형 스케줄링, 비선점형 스케줄링

📌 선점형 스케줄링과 비선점형 스케줄링
🔸  운영체제에서 스케줄링은 기본적으로 프로세스의 실행이 끝날 때 이루어짐. 하지만 프로세스가 종료되지 않았음에도 실행 도중 스케줄링이 수행되는 경우가 있음. 대표적으로 두 가지 상황이 존재함.

-  실행 상태에서 입출력 작업을 위해 대기 상태로 전환될 때
-  실행 상태에서 타이머 인터럽트가 발생해 준비 상태로 변경될 때

이러한 상황에 따라 스케줄링 방식은 선점형 스케줄링과 비선점형 스케줄링으로 구분됨.

📌 선점형 스케줄링 (Preemptive Scheduling)

•  운영체제가 현재 CPU를 사용하고 있는 프로세스로부터 강제로 CPU 자원을 회수하여 다른 프로세스에 할당할 수 있는 방식을 의미함. 
•  대표적인 예로 타이머 인터럽트 기반 스케줄링이 있음.
• 운영체제는 프로세스가 정해진 시간만큼 CPU를 사용하면, 강제로 해당 프로세스를 중단시키고 다른 프로세스에 CPU를 할당함. 이를 통해 다중 작업 환경에서 보다 공정한 CPU 분배가 가능해짐.

📌 선점형 스케줄링의 장점

•  CPU 사용 시간을 균등하게 배분할 수 있음.
• 중요한 작업(우선순위가 높은 프로세스)이 빠르게 처리될 수 있음.
• 시스템 응답 속도가 향상됨.

 

📌 선점형 스케줄링의 단점

•  프로세스 간의 전환(context switching)이 잦아 오버헤드가 증가함.
• 프로세스가 자주 중단되므로 일부 작업이 지연될 수 있음.

 

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📌 비선점형 스케줄링 (Non-preemptive Scheduling)

• 비선점형 스케줄링은 한 프로세스가 CPU를 사용하기 시작하면 해당 프로세스가 스스로 종료하거나 입출력 작업으로 인해 대기 상태로 전환될 때까지 CPU를 점유하는 방식임.
• CPU를 사용 중인 프로세스가 끝날 때까지 다른 프로세스는 기다려야 함. 이 방식은 프로세스 실행 도중 강제적인 자원 회수가 없기 때문에 시스템의 예측 가능성이 높아짐.

 

📌 비선점형 스케줄링의 장점

•  프로세스 실행이 중단되지 않아 예측 가능성이 높음.
•  컨텍스트 스위칭 오버헤드가 적어 시스템 자원이 절약됨.

 

📌 비선점형 스케줄링의 단점

• 낮은 우선순위의 프로세스가 오랫동안 대기할 가능성이 있음.
• 특정 프로세스가 장시간 CPU를 점유하면 다른 프로세스의 실행이 지연될 수 있음.

📌 선점형 vs 비선점형 스케줄링 비교

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✅ 스케줄링 알고리즘

• 선입 선처리 스케줄링 FCFS : 준비 큐에 삽입된 순서대로 CPU 할당
• 최단 작업 우선 스케줄링 : 준비 큐에 삽입된 프로세스들 중 CPU 사용 시간의 길이가 가장 짧은 프로세스부터 CPU 할당
• 라운드 로빈 스케줄링 : 정해진 시간만큼만 돌아가며 CPU 할당
• 최소 잔여 시간 우선 스케줄링 
• 우선순위 스케줄링 : 가장 높은 우선순위를 가진 프로세스에 CPU 할당
• 다단계 큐 스케줄링
• 다단계 피드백 큐 스케줄링 : 프로세스들이 큐 사이를 이동할 수 있는 다단계 큐 스케줄링

 

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[ 가상메모리 ]