Lecture #6

신라대학교 컴퓨터공학과 운영체제1

Lecture #6Lecture #6

CPU SchedulingCPU Scheduling


CPU SchedulingCPU Scheduling

다중 프로그래밍 시스템에서 여러 개의 프로세스 사이에 프로세서 (CPU) 사용을 스케줄링하는 것

목 적 : High processor utilization High throughput

number of processes completed per unit time Low response time

elapsed time from the submission of a request to the beginning of the response


스케줄링 동작의 분류스케줄링 동작의 분류

Long-term : which process to admit Medium-term: which process to swap in or out Short-term: which ready process to execute next


Queuing Diagram for SchedulingQueuing Diagram for Scheduling


Long-Term SchedulingLong-Term Scheduling

어떤 프로그램을 시스템에서 실행할 수 있도록 허용할 것인가를 결정하는 작업 다중 프로그래밍 정도 (the degree of multi-programming) 를

결정한다

많은 프로세스를 허용하는 경우 : 모든 프로세스가 대기상태 (blocked) 가 될 가능성이 적어진다

CPU 이용률을 높일 수 있다 각 프로세스에 대한 CPU 할당 시간이 적어진다

각 프로세스의 반응 시간이 길어진다

Processor-bound 프로세스와 I/O-bound 프로세스를 적절하게 혼합될 수 있도록 허용하는 것이 효율적


Medium-Term SchedulingMedium-Term Scheduling

Swapping decisions based on the need to manage multiprogramming 어떤 프로세스를 swapping 할 것인지를 결정

메모리 관리 소프트웨어에 의해 수행


Short-Term SchedulingShort-Term Scheduling

어떤 프로세스를 다음에 실행할 것인지를 결정 CPU scheduling

Dispatcher 준비 상태의 프로세스 중에서 다음에 실행할 프로세스를 선택 선택된 프로세스에게 CPU 를 할당

문맥을 교환 사용자 모드로 전환 프로그램 실행을 위해 사용자 프로그램의 적절한 위치로 이동 –

PC(program count) 설정

CPU 스케줄링이 수행되는 시점 (events): clock interrupts I/O interrupts operating system calls and traps signals


CPU CPU 스케줄링 기준스케줄링 기준 ((Criteria)Criteria)

사용자 관점 기준 Response Time( 응답 시간 ): 프로그램이 제출된 때부터

반응을 시작하는데 걸리는 시간 Turnaround Time( 작업 반환 시간 ): 프로그램이 제출된

때부터 완료될 까지 걸리는 시간

시스템 관점 기준 processor utilization(CPU 이용률 ) Fairness( 공평성 ) Throughput( 처리율 ): 단위 시간당 수행 완료하는 프로세스

수


스케줄링 알고리즘의 특성스케줄링 알고리즘의 특성

선택함수 (selection function) ready queue 에 있는 프로세스들 중에서 다음에 실행한

프로세스를 결정하는 방법 ( 기준 )

결정모드 (decision mode) 선택함수를 실행할 시점을 정의 Nonpreemptive( 비선점 )

일단 프로세스가 실행상태가 되면 실행을 종료하거나 I/O 로 인해 대기상태가 될 때까지 실행을 계속하는 모드

Preemptive( 선점 ) 현재 실행중인 프로세스를 중지하여 ready queue 에 보내고

새로 선택된 프로세스를 실행하는 모드 하나의 프로세스가 오랜 시간동안 CPU 를 독점하지 못하도록

함으로써 더 나은 서비스를 허용한다


CPU-I/O Burst CycleCPU-I/O Burst Cycle

하나의 프로세스는 CPU 작업과 I/O 작업을 교대로 요구하는 동작을 반복적으로 수행 각 사이클은 CPU burst

(typically of 5 ms) 와 I/O burst(usually longer) 로 구성

프로세스는 CPU burst 로 시작하여 CPU burst 로 종료

CPU-bound process 는 I/O-bound process 보다 더 긴 CPU bursts 을 갖는다

load store add store read from file

store increment index write to file

load store add store read from file

Wait for I/O

Wait for I/O

Wait for I/O

CPUBurst

CPUBurst

I/OBurst

CPUBurst

I/OBurst

I/OBurst


CPU CPU 스케줄링 알고리즘스케줄링 알고리즘

선입 선처리 (First Come First Served) 스케줄링 라운드 로빈 (Round-Robin) 스케줄링 짧은 프로세스 우선 (Shortest Process Next:SPN) 스케줄링 최단 잔여 시간 (Shortest Remaining Time:SRT) 스케줄링 최고 응답률 우선 (Highest Response Ratio Next:HRRN)

스케줄링 우선순위 (Priority) 스케줄링 다단계 피드백 큐 (Multi-level Feedback Queue) 스케줄링 Multiprocessor 스케줄링 실시간 스케줄링


CPU CPU 스케줄링 알고리즘의 비교스케줄링 알고리즘의 비교

ProcessArrivalTime

ServiceTime

1

2

3

4

5

0

2

4

6

8

3

6

4

5

2

- Service time = total processor time needed in one (CPU-I/O) cycle- Jobs with long service time are CPU-bound jobs and are referred to as “long jobs”


선입 선처리 스케줄링 선입 선처리 스케줄링 ::First Come First Served (FCFS)First Come First Served (FCFS)

선택함수 ready queue 에서 가장 오랫동안 대기하고 있는 프로세스를

선택 First Come First Served(FCFS)

결정모드 nonpreemptive( 비선점 ) 프로세스는 종료하거나 대기상태가 될 때까지 실행한다


FCFS FCFS 스케줄링의 단점스케줄링의 단점

어떤 I/O 도 요구하지 않는 프로세스가 CPU 를 독점할 수 있다

CPU-bound process 를 선호한다 I/O-bound process 는 CPU-bound process 가 종료할 때까지

기다려야 한다 I/O-bound process 는 I/O 가 완료되더라도 기다리는 상태이므로

다음 I/O 을 실행하지 못한다 (poor device utilization) I/O bound process 에 한 레벨 높은 우선순위를 부여함으로써 I/O

device 의 이용률을 높일 수 있다


선택함수 : FCFS 와 같다 결정모드 : preemptive( 선점 )

프로세스는 하나의 time slice (quantum, typically from 10 to 100 ms) 동안에 실행된다

clock interrupt 가 발생하면 현재 실행중인 프로세스를 ready queue 로 보내고 FCFS 방식으로 새로운 프로세스를 실행한다

라운드라운드 -- 로빈로빈 ((Round-Robin) Round-Robin) 스케줄링스케줄링


Time Quantum for Round Robin (1)Time Quantum for Round Robin (1)

Clock interrupt 과 dispatching 처리를 위한 시간보다 더 크게 결정되어야 한다

should be larger than the typical interaction 작업 반환 시간이 커질 수 있다


Time Quantum for Round Robin (2)Time Quantum for Round Robin (2)


Round Robin Round Robin 스케줄링 분석스케줄링 분석

여전히 CPU-bound process 를 선호한다 I/O bound process 는 time slice 보다 적은 시간동안

CPU 를 사용하고 I/O 요구에 대해 대기상태가 된다 CPU-bound process 는 모든 time slice 동안 실행되고

ready queue 로 되돌아간다 . 이때 , 대기 상태의 프로세스 앞에 놓이게 된다

해결책 : 가상 라운드 로빈 (virtual round robin) I/O 가 완료되었을 때에 대기상태의 프로세스를 ready

queue 보다 높은 우선순위를 가지는 보조 큐 (auxiliary queue) 에 보낸다


Queuing for Virtual Round RobinQueuing for Virtual Round Robin


Shortest Process Next (SPN) Shortest Process Next (SPN) 스케줄링스케줄링

선택함수 : 가장 짧은 CPU burst time 을 가진 프로세스를 선택한다 최소 작업 우선 (Shortest Job First) 스케줄링

결정모드 : nonpreemptive( 비선점 ) I/O bound process 가 먼저 선택된다 각 프로세스의 CPU burst time 을 미리 예측하여야 한다


CPU burst time CPU burst time 예측예측 (1)(1)

Let T[i] be the execution time for the i-th instance of the process the actual duration of the i-th CPU burst of this process

Let S[i] be the predicted value for the i-th CPU burst of this process. The simplest choice is: S[n+1] = (1/n) _{i=1 to n} T[i]

To avoid recalculating the entire sum we can rewrite this as: S[n+1] = (1/n) T[n] + ((n-1)/n) S[n]

But this convex combination gives equal weight to each instance


CPU burst time CPU burst time 예측예측 (2)(2)

But recent instances are more likely to reflect future behavior

A common technique for that is to use exponential averaging S[n+1] = T[n] + (1-) S[n] ; 0 < < 1 more weight is put on recent instances whenever > 1/n


SPN SPN 스케줄링 분석스케줄링 분석

짧은 프로세스가 계속적으로 생성될 때에는 긴 프로세스가 starvation 될 가능성이 있다

비선점 방식이므로 시분할 환경 ( 대화형 환경 ) 에는 부적합하다 CPU bound process 가 낮은 우선순위를 가지지만 여전히

I/O 을 요구하지 않는 프로세스가 CPU 를 독점할 수 있다 대화형 응용 프로그램 실행에는 부적합

SPN 스케줄링은 함축적으로 우선순위 기법을 수용한다 shortest jobs are given preferences


Shortest Remaining Time (SRTShortest Remaining Time (SRT) ) 스케줄링스케줄링

선택함수 : 예측된 잔여 처리 시간이 가장 짧은 프로세스를 선택 SPN 스케줄링의 선점형

결정모드 : preemptive( 선점 ) 새로운 프로세스의 처리 요구 시간이 현재 수행중인

프로세스의 잔여 처리 시간보다 짧은 경우 선점된다 분 석 :

FCFS 스케줄링보다는 공평한 스케줄링을 수행 실행 시간이 긴 프로세스들이 기아 상태에 빠질 가능성이 존재

라운드 - 로빈과 달리 인터럽트가 추가로 발생하지 않음 선점형이기 때문에 SPN 보다 작업처리 시간이 훨씬 짧다 프로세스의 처리 시간 예측 및 프로세스 서비스 시간 계산에

대한 오버헤드가 존재


Highest Response Ratio Next (HRRNHighest Response Ratio Next (HRRN) ) 스케줄링스케줄링

선택함수 : 응답 비율 (RR: Response Ratio) 이 가장 큰 프로세스를

선택 RR = (CPU 대기 시간 + 예측된 서비스 시간 )/ 예측된

서비스 시간 모든 프로세스들에 대한 응답 비율의 평균값을 최소화

결정모드 : nonpreemptive( 비선점 ) 분 석 :

프로세스의 대기 시간을 고려하기 때문에 효과적 일반적으로 짧은 실행시간을 가진 프로세스가 유리 실행 시간이 긴 프로세스의 경우 대기 시간이 증가함에 따라

응답비율이 증가하여 짧은 실행 시간의 프로세스보다 먼저 실행


우선순위 스케줄링 우선순위 스케줄링 ::Priority SchedulingPriority Scheduling

우선 순위 기반의 스케줄링 프로세스의 우선순위를 비교 높은 우선순위의 프로세스를 먼저 , 같은 수준의

우선순위를 가진 프로세스에 대해서는 FCFS 방식으로 선택

각 우선순위 레벨을 나타내는 다수의 ready queue을 사용하여 구현할 수 있다 Multi-level queue

낮은 우선순위 프로세스가 starvation 될 수 있다 동적 우선순위 (dynamic priority) 사용

실행 시간 경과에 따라 프로세스의 우선순위를 바꾼다


다단계 피드백 큐 스케줄링 다단계 피드백 큐 스케줄링 ::Multilevel Feedback Queue SchedulingMultilevel Feedback Queue Scheduling

Preemptive scheduling with dynamic priorities

Several ready queues with decreasing priorities: P(RQ0) > P(RQ1) > ... > P(RQn)

새로운 프로세스는 RQ0 에 보낸다

Time slice 가 완료되면 프로세스를 RQ1 으로 보낸다 .

그리고 그 다음 단계에서는 RQ2 로 , 계속하여 RQn

까지 보내도록 한다


다단계 피드백 큐 스케줄링 다단계 피드백 큐 스케줄링 ::Multilevel Feedback Queue SchedulingMultilevel Feedback Queue Scheduling

I/O-bound process 는 높은 우선순위 큐에서 유지되는 반면에 CPU-bound process 는 낮은 우선순위 큐로 옮겨간다

Dispatcher 는 RQi-1 에서 RQ0 까지의 큐가 비어있을 때에 RQi 에서 실행할 프로세스를 선택한다

긴 프로세스는 starvation 될 가능성이 있다 낮은 우선순위 큐에서 오래 대기한 프로세스를 높은

우선순위 큐로 이동시킴 (aging) 으로써 해결


Multiple Feedback Queues Multiple Feedback Queues

각 큐에서는 FCFS 스케줄링 가장 낮은 우선순위 큐에서는 Round-Robin 스케줄링


Time Quantum for MFQ SchedulingTime Quantum for MFQ Scheduling

고정 크기의 time slice 를 가지는 경우 , 긴 프로세스의 작업 반환 시간이 대단히 길어질 수 있다

큐의 레벨에 따라 time slice 를 증가시킴으로써 평균 작업 반환 시간을 줄일 수 있다 예 : time slice of RQi = 2^{i-1}


다중 처리기 스케줄링다중 처리기 스케줄링((Multiprocessor Scheduling) (1)Multiprocessor Scheduling) (1)

다중 처리기 (Multiprocessor) 의 종류 Loosely coupled multiprocessor

각 프로세서가 자기 고유의 지역 메모리와 I/O 채널을 가진다 Distributed system, clustered system 등

Functionally specialized processors I/O processor 등 master processor 에 의해 제어된다

Tightly coupled multiprocessing 모든 프로세서가 주기억장치를 공유한다 SMP 등



프로세스 병렬성 (Process Parallelism) Synchronization Granularity Independent Parallelism

다수의 연관성이 없는 프로세스 사이의 병렬성 Very coarse grained parallelism

네트워크 노드 상의 분산 처리 (distributed processing) Coarse grained parallelism

다중 프로그래밍 환경에서 프로세스들의 다중 처리 (multiprocessing)

Medium grained parallelism 하나의 응용에서의 병렬 처리 (Parallel processing) Thread 수준의 병렬성

Fine grained parallelism 명령어 수준의 병렬성



Multiprocessor thread scheduling Load sharing

processes are not assigned to a particular processor Gang scheduling

a set of related threads is scheduled to run on a set of processors at the same time

Dedicated processor assignment threads are assigned to a specific processor

Dynamic scheduling number of threads can be altered during course of

execution



Load Sharing( 부하 분산 ) 부하를 모든 프로세서에 대해 적절하게 분산한다 유휴 프로세서가 없음을 보장 중앙 집중식 스케줄러가 필요 없다 global queue 을 사용 단 점 :

global queue 에 대한 상호배제 선점된 프로세스가 동일한 프로세스에서 실행을 재개할

가능성이 적다 하나의 프로그램을 구성하는 모든 쓰레드가 동시에

프로세서를 얻어 실행할 가능성이 적다



Gang Scheduling 하나의 프로세스을 구성하는 쓰레드들에 대한 동시 스케줄링 응용 프로그램의 부분적인 실행으로 성능이 심각하게

떨어지는 응용 프로그램에 대해서는 유용하다

Dedicated Processor Scheduling 하나의 프로세스를 구성하는 모든 쓰레드를 하나의

프로세서에 할당한다 일부 프로세서가 유휴상태가 될 수 있다 process switching 을 피한다



Dynamic Scheduling 프로세스를 구성하는 쓰레드 수가 실행되는 동안에 동적으로

변하는 경우 운영체제가 각 프로세서의 부하를 고려하여 프로세서를

할당한다


실시간 스케줄링실시간 스케줄링((Real-time Scheduling) (1)Real-time Scheduling) (1)

실시간 시스템 (Real-Time System) Correctness of the system depends not only on the

logical result of the computation but also on the time at which the results are produced

분 류 : 경성 실시간 시스템 (Hard Real-Time System) 연성 실시간 시스템 (Soft Real-Time System)

예 : Control of laboratory experiments Process control plants Robotics Air traffic control Telecommunications


실시간 스케줄링실시간 스케줄링((Real-time Scheduling) (2)Real-time Scheduling) (2)

실시간 스케줄링 (Real-Time Scheduling) Priority-based scheduling

Priority assignment based on deadline Not support aging

Shorter dispatch delay Preemption points in system calls Preemption kernel 등


스케줄 정책과 메커니즘 스케줄 정책과 메커니즘 (1)(1)

스케줄 정책 다음에 실행할 프로세스를 선택하는 방법 FCFS, 우선순위 기반 정책 등

스케줄 메커니즘 스케줄 정책에 따라 프로세스를 선택하고 , 문맥 전환하여

실행되도록 설정하는 동작 부분 Dispatcher

현재 운영체제의 CPU 스케줄링은 스케줄 정책과 스케줄 메커니즘이 결합되어 있다 특별한 운영 환경에 맞게 CPU 스케줄링을 조정하는 것이

불가능 시스템 자원 낭비 및 프로그램 실행 시간 최적화의 어려움

초래


스케줄 정책과 메커니즘 스케줄 정책과 메커니즘 (2)(2)

스케줄링 정책과 스케줄링 메커니즘의 분리 현재 실행중인 프로세스나 쓰레드 간의 중요도를 알려진 경우

a process knows which of its children threads are important and need priority

데이터 베이스 시스템 프로세스 집합 등 운영 환경에 맞게 스케줄 정책 설정

시스템 자원 사용 및 프로그램 실행 시간 최적화가 가능 파라메터화 스케줄링 알고리즘

Schedule mechanism in the kernel Schedule parameters filled in by user processes

• policy set by user process


Thread Scheduling (1)Thread Scheduling (1)

Possible scheduling of user-level threads 50-msec process quantum / threads run 5 msec/CPU burst 응용 스레드 스케줄러 사용으로 보다 효율적으로 스케줄링 가능

스레드 문맥 교환은 운영체제의 개입이 필요 없어 간단


Thread Scheduling (2)Thread Scheduling (2)

Possible scheduling of kernel-level threads 50-msec process quantum / threads run 5 msec/CPU burst 커널 스케줄러에 의해 스레드 스케줄링이 실행

스레드 문맥 교환 비용이 크다

A1 스레드가 블록킹 된 후에 다른 스레드로 스케줄링할 때에 A2

와 B1 스레드의 중요도가 같으나

문맥교환 비용이 B1이 높을 때에 다음에 실행될 스레드는 ?


알고리즘 평가알고리즘 평가

Which one is best? The answer depends on:

on the system workload (extremely variable) hardware support for the dispatcher relative weighting of performance criteria (response time,

CPU utilization, throughput...) evaluation method used

평가 방법 결정성 모형화 (Deterministic Modeling) 큐잉 모형 (Queueing Model) 모의실험 (Simulation) 구현 (Implementation)

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Lecture #6