[운영체제](반효경) 6강. CPU Scheduling

CPU Scheduling

 

CPU and I/O Bursts in Program Execution

 

CPU-burst Time의 분포

• 여러 종류의 job(process)들이 섞여있기 때문에 CPU 스케줄링이 필요하다.
  • Interactive job에게 적절한 response 제공 요망
  • CPU와 I/O 장치 등 시스템 자원을 골고루 효율적으로 사용

 

프로세스의 특성 분류

 

• I/O- bound process
  • CPU를 잡고 계산하는 시간보다 I/O에 많은 시간이 필요한 job
  • Many short CPU bursts
• CPU-bound process
  • 계산 위주의 job
  • Few very long CPU bursts

 

CPU Scheduler & Dispatcher

 

운영체제의 특정 기능임

• CPU Scheduler
  • Ready 상태의 프로세스 중에서 이번에 CPU를 줄 프로세스를 고른다
• Dispatcher
  • CPU의 제어권을 CPU scheduler에 의해 선택된 프로세스에게 넘긴다
  • 이 과정을 context switch(문맥 교환)라고 한다.
• CPU 스케줄링이 필요한 경우는 프로세스에게 다음과 같은 상태변화가 있는 경우이다.
  1. Running → Blocked(e.g. I/O 요청하는 시스템 콜)
  2. Running → Ready(e.g. 할당시간 만료로 timer interrupt)
  3. Blocked → Ready(e.g. I/O 완료 후 인터럽트)
  4. Terminate
• 예시일뿐 더 많은 케이스가 있을 수도

1번과 4번의 경우는 nonpreemptive(= 강제로 빼앗지 않고 자진 반납) / 비선점형

나머지 모든 스케줄링은 preemptive(= 강제로 빼앗음) / 선점형

 

Scheduling Criteria

 

Performance Index ( = Performance Measure, 성능 척도)

위의 2가지는 CPU입장, 밑의 3가지는 프로세스 입장

프로세스 전체의 시작과 종료 기준이 아니라 프로세스가 CPU를 잡는 시간 기준(버스트 기준) 이라는 것에 유의

• CPU utilization 이용률
  • keep the CPU as busy as possible
• Throughput 처리량
  • number of prcesses that complete their excution per time unit
• Turnaround time 소요시간, 반환시간
  • amount of time to excute a particular process
• Waiting time 대기시간
  • amount of time a process has been waiting in the ready queue
• Response time 응답시간
  • amount of time it takes from when a request was submitted until the first response is produced, not output(for time-sharing environment)

 

Scheduling Algoritm

 

• FCFS
• SJF
• SRTF
• Priority Scheduling
• RR
• Multilevel Queue
• Mutilevel Feedback Queue

 

FCFS(First-Come First-Served)

 

• 비선점형(unpreemptive)

 

SJF(Shortes-Job-First)

 

• 각 프로세스의 다음번 CPU burst time을 가지고 스케쥴링에 적용
• CPU burst time이 가장 짧은 프로세스를 제일 먼저 스케쥴
• 두가지 스킴(Scheme)
  • Nonpreemptive
    • 일단 CPU를 잡으면 이번 CPU burst가 완료될 때까지 CPU를 선점(premmption)당하지 않음
  • Preemptive
    • 현재 수행중인 프로세스의 남은 burst time보다 더 짧은 CPU burst time을 가지는 새로운 프로세스가 도착하면 CPU를 빼앗김
    • 이 방법을 Shortest-Remaining-Time-First(SRTF)라고도 부른다.

Nonpreemptive

Preemptive

• SJF is optimal
  • 주어진 프로세스들에 대해 minimun average waiting time을 보장 → 모든 알고리즘 중에서 가장 짧은 waiting time을 보장한다.
• 단점
  1. starvation → Long process가 영원히 실행되지 않을수도 있다.
  2. 프로그램의 정확한 사용시간을 미리 알수가 없으므로 추정을 해야함.

 

 

Priority Scheduling

 

• A priority number(integer) is associated with each process
• highest priority를 가진 프로세스에게 CPU 할당
  • Preemptive
  • nonpreemptive
• (smallest integer - highest priority)
• SJF는 일종의 priority scheduling이다.
  • priority = predicated next CPU burst time
• 문제점
  • Starvation(기아 현상): low priority processes may nver execute
• 해결방법
  • Aging: as time progresses increase the priority of the process

 

RR(Round Robin) - 현대의 운영체제가 사용하는 방법

 

• 각 프로세스는 동일한 크기의 할당시간(time quantum)을 가짐
• (일반적으로 10-100 milliseconds)
• 할당 시간이 지나면 프로세스는 선점(preemted)당하고 ready queue의 제일 뒤에가서 다시 줄을 선다.
• n개의 프로세스가 ready queue에 있고 할당 시간이 q time unit인 경우 각 프로세스는 최대 q time unit단위로 CPU 시간의 1/n을 얻는다.
• → 어떤 프로세스도 (n-1)q time unit 이상 기다리지 않는다.
• 장점: 응답시간이 빨라진다.(최초로 CPU를 얻게되는 시간)
• 단점: 특정조건에서는 오히려 비효율적임(모든 프로세스의 실행시간이 동일한경우??)
• 턴어라운드, 웨이팅타임이 악화될 수도 있음.
• Performance
  • q large → FCFS
  • q small → context switch 가 빈번해져 overhead의 부담

 

Multilevel Queue

 

• Ready Queue를 여러개로 분할
  • foreground(interactive)
  • background(batch - no human interaction)
• 각 큐는 독립적인 스케쥴링 알고리즘을 가짐
  • foreground - RR
  • background - FSFS
• 개별 큐에 대해서도 스케쥴링이 필요
  • Fixed priority scheduling(우선순위로 고정)
    • serve all from foreground then from background
    • Possibility of starvation
  • Time slice(시간단위로 분배)
    • 각 큐에 CPU time을 적절한 비율로 할당
    • e.g. 80% to foreground in RR, 20% to background in FCFS

Multilevel Queue

 

Multilevel Feedback Queue

 

• 프로세스가 다른 큐로 이동 가능
• 에이징(aging)을 이와 같은 방식으로 구현할 수 있다(오래되면 프로세스를 다른 큐로 이동 시켜서)
• Multilevel-feedback-queue를 정의하는 파라미터들
  • Queue의 수
  • 각 Queue의 Scheduling algorithm
  • Process를 상위 큐로 보내는 기준
  • Process를 하위 큐로 내쫓는 기준
  • 프로세스가 CPU 서비스를 받으려 할 때 들어갈 큐를 결정하는 기준

Multilevel Feedback Queue

Example of MFQ

 

Multiple-Processor Scheduling

 

• CPU가 여러개인 경우 스케쥴링은 더욱 복잡해짐
• Homogeneous processor인 경우
  • Queue에 한줄로 세워서 각 프로세서가 알아서 꺼내가게 할 수 있다.
  • 반드시 특정 프로세서에서 수행되어야 하는 프로세스가 있는 경우에는 문제가 더 복잡해짐
• Load Sharing
  • 일부 프로세서에 job이 몰리지 않도록 부하를 적절히 공유하는 메커니즘 필요
  • 별개의 큐를 두는 방법 vs 공동 큐를 사용하는 방법
• Symmetric Multiprocessing(SMP)
  • 각 프로세서가 각자 알아서 스케쥴링 결정
• Asymmetric Multiprocessing
  • 하나의 프로세서가 시스템 데이터의 접근과 공유를 책임지고 나머지 프로세서는 거기에 따름

 

Real-Time Scheduling

 

periodic한 성격의 작업이 많다.

• Hard real-time systems
  • Hard real-time task는 정해진 시간 안에 반드시 끝내도록 스케줄링해야 함 → 데드라인내 실행이 보장되어야함
• Soft real-time computing
  • Soft real-time task는 일반 프로세스에 비해 높은 priority를 갖도록 해야함

Thread Scheduling

• Local Scheduling
  • User level thread의 경우 사용자 수준의 thread library에 의해 어떤 thread를 스케쥴 할지 결정
• Global Scheduling
  • Kernel level thread의 경우 일반 프로세스와 마찬가지로 커널의 단기 스케줄러가 어떤 thread를 스케줄 할지 결정

 

Algorithm Evaluation

 

1. Queueing models

• 확률 분포로 주어지는 arrival rate와 service rate 등을 통해 각종 performance index 값을 계산

2. Implementation(구현) & Mesurement(성능 측정)

• 실제 시스템에 알고리즘을 구현하여 실제 작업(workload)에 대해서 성능을 측정 비교
• → 운영체제 코드를 실제로 고쳐보는 것(어려움)

3. Simulation(모의 실험)

• 알고리즘을 모의 프로그램으로 작성 후 trace(시뮬레이션 프로그램의 인풋으로 들어갈 테스트케이스?)를 입력으로 하여 결과 비교

 

다음 CPU Burst Time의 예측

 

• 다음번 CPU burst time을 어떻게 알 수 있는가?
  • (Input data, branch, user)
• 추정(estimate)만이 가능하다
• 과거의 CPU burst time을 이용해서 추정 (exponential averaging)