CPU 스케줄링

CPU스케줄링 개요

컴퓨터는 필수장치(CPU, 메모리)와 주변장치(하드디스크, 키보드, 마우스)로 이루어져있다. 프로그램 실행 -> 메모리에 프로세스가 올라감 -> 각 프로세스마다 하나 이상의 쓰레드가 존재 -> 쓰레드는 CPU를 차지하기 위해 운영체제의 명령을 기다리고 있음

위의 2가지에 따라 컴퓨터 성능에 많은 영향을 미치며 오늘날에는 시분할 스케줄링으로 아주 빠르게 번갈아가면서 프로세스를 실행한다.

준비상태(실행을 기다리는 프로세스)와 대기상태(입출력을 대기하는 프로세스)는 Queue 자료구조로 관리된다.

Queue 자료구조: 먼저 들어온게 먼저 처리되고 나중에 들어온게 나중에 처리된다(스택과 반대)
스택: 먼저 들어온게 제일 나중에, 제일 나중에 들어온게 먼저 처리된다.
실행상태 -> 준비상태로 돌아갈때
- 운영체제는 프로세스를 보고 우선순위에 따라 준비큐에 PCB를 넣는다.
- CPU 스케줄러는 준비 큐에 있는 PCB 중에 하나를 골라 실행상태로 변환한다.
실행상태 -> 대기상태
- 운영체제는 IO작업(하드디스크, 랜, 키보드 등)에 따라 PCB를 분류해 놓는다.
- CPU 스케줄러는 준비 큐에 있는 PCB 중에 하나를 골라 실행상태로 변환한다.

리소스 사용률
- CPU 사용률을 높이거나 IO 디바이스의 사용률을 높인다.
오버헤드 최소화
- 컨텍스트 스위칭 비용과 스케줄링 계산 비용을 최소화
공평성
- 프로세스들이 공평하게 할당받아야 한다.
- 어떤 프로그램인가에 따라 공평성이 달라지지만 (ex. 자율주행자동차에게는 자율주행프로그램에게 가장 많은 할당을 주는게 공평) 우리가 쓰는 프로그램은 다같이 할당하는게 공평하다.
처리량
- 같은 시간내에 더 많은 처리를 할 수 있는 방법
대기시간
- 요청과 실행 사이의 대기시간을 짧게 하는 걸 목표
응답시간
위의 항목들에 다 초점을 맞추기는 어렵기때문에 기능에 따라 어디에 초점을 맞출지 고른다. 하지만 일반적인 유저의 경우에는 고루 초점을 맞추려고 한다.

: 먼저 들어온 작업이 먼저 실행된다. 먼저 들어온 작업이 완전히 끝나야만 다음 작업이 실행된다.

단순하고 직관적이다.
먼저 들어온 프로세스가 끝나야 다음 프로세스가 실행되기때문에 프로세스의 길이와 상관없이 앞의 프로세스가 끝나길 기다려야한다.
- IO 작업이 있다면, IO작업이 끝날때까지 기다려야함 -> CPU 사용률이 떨어진다.

스케줄링의 성능은 “평균대기시간”(프로세스 모두가 실행될 때까지 대기한 시간의 평균)으로 계산한다. -> 프로세스의 순서만 바꿔도 성능처리가 나기때문에 FIFO는 현재는 일괄처리시스템에서 쓰인다.

: 짧은 작업을 먼저 실행한다.

프로세스에게 일정 시간을 할당하고 그 시간이 지나면 그 프로세스는 큐의 맨 뒤로 보내고 그 다음 프로세스를 실행한다.

타임 슬라이스( = 타임 퀀텀) : 프로세스에 할당하는 시간 FIFO와 비교해보았을때 성능시간이 비슷하다면 RR이 비효율적이다. RR은 프로세스가 변경되기 때문에 컨텍스트 스위칭 비용이 있어서 스위칭 시간이 추가된다.
RR의 성능은 타임 슬라이스 시간에 따라서 성능에 차이가 있다.
- 타임 슬라이스가 클 경우: FIFO와 동일해진다.
- 타임 슬라이스가 너무 작을 경우: 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이지만 컨텍스트 스위칭 비용이 너무 커진다. (오버헤드가 너무 크다) 사용자가 느끼기에 프로세스들이 동시에 실행되는 것처럼 느끼면서 오버헤드가 적은 시간으로 설정해야한다.

: RR의 업그레이드 버전 작은 크기의 타임 슬라이드는 CPU와 IO의 사용량을 높인다. 타임슬라이스보다 빠르게 처리되면 IO이고, 초과되어서 뻇기면 CPU 프로세스일 확률이 크다.

한번 할당을 받아서 프로세스를 실행 한 후에 작업이 끝났는지 초과되어서 뺏겼는지에 따라 할당되는 타임슬라이스의 크기를 다르게 할당한다.