CPU 스케줄링 알고리즘
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Transcript CPU 스케줄링 알고리즘
정보통신실습 및 특강(5)
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2009.05
1
목차
프로세스(Process)의 개념
프로세스 상태
프로세스 제어 블록(PCB : Process Control Block)
문맥교환(Context Switch)
CPU스케줄링 및 알고리즘
정보통신실습 및 특강(5)
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프로세스(Process) 개념
프로세스(Process)란?
실행중인 상태의 프로그램(=Task)
능동적인 실체
정보통신실습 및 특강(5)
다음에 실행할 명령어를 지정하는 프로그램카운터 갖는다
비동기적 행위
프로세서가 할당되는 개체
3
프로세스(Process) 상태
프로세스(Process)상태
실행상태
(running)
dispatch
종료
(terminated)
block
timer run out
생성
(new)
정보통신실습 및 특강(5)
준비상태
(ready)
wake-up
대기상태
(waiting)
생성(new) : 프로세스 생성
실행(running) : process가 CPU를 차지하고 있는 상태
준비상태(ready) : process가 CPU에게 할당되기를 기다리는 상태(CPU를 할당 받을 수 있는 상태)
대기상태(waiting) : process가 I/O가 완료되기를 기다리는 상태
종료상태(terminated) : 프로세스의 실행 종료
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프로세스(Process) 상태
프로세스 상태전이(state transition)
실행상태
(running)
dispatch
종료
(terminated)
block
timer run out
생성
(new)
준비상태
(ready)
wake-up
대기상태
(waiting)
• dispatch (ready
running) : ready상태의 여러 프로세스들 중 스케줄러에 의해 CPU를 할당 받아 실행상태로 되는 것.
• timer run out (running
ready) : process가 CPU내에서 일정시간 빠져 나가지 못할 경우, 인터럽트를 통해 제어를
OS에게 넘겨줌
• block (running
waiting) : 시간 할당량(time quantum) 이전에 I/O장치에 요청을 보내고, 그 요청이 완료될 때까지
기다리는 것.
• wake-up(waiting
ready) : 기다리고 있던 사건이 완료되면(ex- I/O완료) waiting상태에서 다시 CPU를 할당 받기 위해
ready상태로 되는 것.
정보통신실습 및 특강(5)
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프로세스 제어 블럭(PCB)
프로세스 제어 블록(PCB : Process Control Block)
프로세스에 대한 중대한 여러 가지 정보를 저장하는 기억장소
프로세스 생성시 만들어 짐
모든 프로세스는 각기 고유의 PCB를 갖는다.
포인터
프로세스
상태
프로세스 번호
• 프로세스의 현재상태(Process state)
- 생성(new), 준비(ready), 실행(running), 대기(waiting), 종료(terminated)
• 프로그램 카운터(program counter)
- 프로세스가 실행할 다음 명령어의 주소를 가리킴
프로그램 카운터(PC)
• 중앙처리장치 레지스터들(CPU registers)
레지스터
메모리 한계
• 중앙처리장치 스케줄링 정보(CPU scheduling information)
• 메모리 관리 정보(Memory-management information)
개방 파일들의 리스트
▪
▪
▪
[프로세스 제어 블록]
정보통신실습 및 특강(5)
• 계정정보(accounting information)
- CPU가 사용된 시간의 양, 계정번호, 작업 또는 프로세스 번호 등
• 입출력 상태 정보(I/O status information)
- 입출력 요구들, 입출력 장치들, 개방된 파일의 목록 등
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문맥 교환(Context Switch)
문맥교환(Context Switch)
정보통신실습 및 특강(5)
이전의 프로세스의 상태를 저장하고 새로운 프로세스의 저장된 상태를 적재
(load)하는 작업
CPU가 새로운 프로세스로 전환할때, Kernel은 이전 process의 상태를 저장하고
, 저정된 새로운 process의 상태를 load
문맥교환의 시간 : overhead (H/W지원에 따라 크게 좌우됨)
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중앙처리장치 스케줄링
중앙처리장치 스케줄링(CPU Scheduling)
스케줄링의 목적
정보통신실습 및 특강(5)
중앙처리장치(CPU) 이용률을 최대화하는 것.
공정한 스케줄링
응답 시간 최소화
작업 반환 시간 예측 가능
균형 있는 자원 사용
우선 순위가 높은 프로세스가 먼저 실시
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중앙처리장치 스케줄링
중앙처리장치 입출력 버스트 주기(Burst cycle)
프로세스 실행
• 짧은 CPU burst가 많다(약 2ms간격)
• 긴 CPU burst는 적다
• 짧은 CPU burst : I/O작업을 중심으로하는 프로그램 (예, 워드)
•긴 CPU burst : CPU 중심의 프로그램 (예, for루프)
정보통신실습 및 특강(5)
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Scheduling Criteria
스케줄링 평가 기준
중앙처리장치 이용률(CPU utilization)
처리율(Throughput)
어떤 프로세스가 lifetime 동안 ready queue에서 대기해야 하는 총 시간
보통 프로세스가 실행 or I/O를 실행하는 동안에는 실제 시간의 양에 영향을 미치지 못함
응답시간(Response time)
어떤 특정 프로세스가 실행을 시작해서 끝날 때까지의 걸린 시간
메모리에 들어가는 시간 + ready 큐에서 대기하는 시간 + CPU에서 실행하는 시간 + I/O시간
대기시간(Waiting time)
단위 시간 당 실행을 완료할 수 있는 프로세스의 개수
반환시간(Turnaround time)
가능한 CPU를 최대 이용
프로세스가 어떤 요청을 운영체제에게 한 후 그에 대한 첫 응답을 받을 때까지 걸린 시간.
그 요청에 대한 서비스가 완료될 때까지의 시간이 아님!
최대화 : CPU 이용률, 처리율 최대화
최소화 : 반환시간, 대기시간, 응답시간
정보통신실습 및 특강(5)
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스케줄링
스케줄링
1단계 스케줄링
2단계 스케줄링
작업프로세스들 중에서 어느것을 활성화 시키고, 보류할 것인가를 결정
활성화된 프로세스 : 주기억장치
보류된 프로세스 : 디스크공간
3단계 스케줄링
정보통신실습 및 특강(5)
작업(job) 스케줄링, 장기(long-term) 스케줄링
어느 작업을 선택해서 시스템의 자원을 이용할게 할 것인가를 결정
(즉, 어느 작업을 메모리로 불러들일 것인가?)
CPU 스케줄링, 단기(short-term) 스케줄링
주기억장치 내의 프로세스들 중에서 어느 process에게 CPU를 할당할 것인가 결정
디스패처(Dispatcher)
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CPU 스케줄러
CPU 스케줄러의 기본동작
메모리에 있는 ready 상태의 프로세스들 중 하나를 선택
선택된 프로세스에게 CPU를 할당.
프로세스 입장에서 CPU scheduling을 당하게 되는 시점
정보통신실습 및 특강(5)
process가
process가
process가
process가
실행상태에서 대기상태로 전환될 때 (예, 입출력 요청) – Non Preemptive(비선점)
실행상태에서 준비상태로 전환될 때 (예, 인터럽트 발생할 때) – Preemptive(선점)
대기상태에서 준비상태로 전환될 때 (예, 입출력이 종료될 때) - Preemptive(선점)
종료할 때 - Non Preemptive(비선점)
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CPU스케줄링
선점(preemptive) 스케줄링
선점 :
한 프로세스가 CPU를 차지하고 있을 때, 다른 프로세스가 현재의 프로세스를 중지시키고, CPU를 차
지할 수 있도록 하는 방법
긴급을 요하는 우선순위를 갖는 시분할 처리, 실시간 처리에 유용
비선점(Non-Preemptive) 스케줄링
비선점 :
정보통신실습 및 특강(5)
일단 CPU가 한 process에 할당되면, process가 종료하던가, 또는 대기상태로 전환해 CPU를 해제할
때까지 CPU를 점유하는 방법
모든 process에 대해서 공정한 처리가 가능
긴급 응답을 요하는 작업에는 좋지 못함.
짧은 작업이 긴 작업이 끝날 때까지 기다림
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CPU 스케줄링 알고리즘
우선순위(Priority) Scheduling Algorithms
각 process에게 우선순위를 부여해서
가장 높은 우선 순위를 갖는 프로세스에게 CPU가 할당됨.(smallest integer
highest priority).
Process가 ready큐에 도착 => 현재 실행중인 process와 우선순위 비교
문제점: Starvation
선 점 우선순위 알고리즘 : 우선순위가 높은 process가 CPU점유
비선점 우선순위 알고리즘 : ready 큐의 head부분에 새로운 process를 넣는다.
낮은 우선 순위의 프로세스가 계속 CPU를 할당 받지 못하는 현상.
해결책: Aging
정보통신실습 및 특강(5)
메모리에 들어와 있는 시간이 길어질수록 우선 순위를 높여줌으로써 기
아 상태를 방지.
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CPU 스케줄링 알고리즘
P2
0
P3
2ㅊ
P1
7
17
•평균대기시간 : (0+2+7)/3 =3
•평균 반환시간(Turnaround time) : (2+7+17)/3 = 8.66
정보통신실습 및 특강(5)
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CPU 스케줄링 알고리즘
선입 선처리(FCFS : First-Come, First-served) 스케줄링 알고리즘
Ready큐에 들어온 순서대로 CPU를 할당
process
Burst시간
P1
24
P2
3
P3
3
P1
P2
0
24
P3
27
Waiting time for P1 = 0; P2 = 24; P3 = 27
Average waiting time: (0 + 24 + 27)/3 = 17
정보통신실습 및 특강(5)
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CPU 스케줄링 알고리즘
process
0
P2
3
P3
3
P1
24
The Gantt chart
P2
Burst시간
P3
3
P1
6
30
Waiting time for P1 = 6; P2 = 0; P3 = 3
Average waiting time: (6 + 0 + 3)/3 = 3
Much better than previous case.
Convoy effect :
정보통신실습 및 특강(5)
하나의 큰 process가 CPU를 양도하기 위해 모든 다른 process들이 기다리는 것
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CPU 스케줄링 알고리즘
최소 작업 우선(SJF : Shortest Job First)스케줄링
각 process의 CPU burst 길이를 비교, 가장 작은 CPU burst를 가진 process에게 할당
동일 CPU burst 를 갖는 경우 : 선입선출 스케줄링 적용
process
0
정보통신실습 및 특강(5)
P1
6
②
P2
P3
P4
8
7
3
④
③
①
P1
P4
3
Burst시간
P3
9
P2
16
대기시간 : p1 = 3, p2=16, p3=9, p4=0
평균대기시간 : 3 + 16 + 9 + 0 = 28 / 4 = 7
18
24
CPU 스케줄링 알고리즘
선입선출 스케줄링을 적용한 경우
P2
P1
0
14
P4
21
24
평균대기시간 : 0 + 6 + 14 + 21 / 4 = 10.25
최소의 “평균대기시간”을 갖는다. (최적의 알고리즘으로 평가)
문제점
정보통신실습 및 특강(5)
6
P3
실행해 보기전에 CPU Burst를 알기 어렵다
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CPU 스케줄링 알고리즘
비선점 SJF알고리즘
선점 SJF알고리즘 (=최소잔여시간 알고리즘(Shortest Remaining Time First))
정보통신실습 및 특강(5)
Process가 실행되는 동안 새로운 process가 ready큐에 들어왔을 때
새로운 process는 현재 실행되고 있는 process의 남은 시간보다 더 짧은 경우
(새로운 process의 CPU burst < 현재 process의 남은 CPU burst)
새로운 process가 현재 실행되고 있는 process를 선점
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CPU 스케줄링 알고리즘
선점 JSF스케줄링
Ready큐에
도착시간
process
P1
P1
0
8
P2
P3
P4
1
2
3
4
9
5
P2
정보통신실습 및 특강(5)
P3
P2
P1
0
Burst시간
1
P4
P2
2
P2
3
P4
5
P1
10
대기시간 : p1=0+(10-1), p2=1-1, p3=17-2, p4=5-3
평균대기시간 : 9+0+15+2 / 4 = 6.5
21
P3
17
26
CPU 스케줄링 알고리즘
비선점 JSF스케줄링
Ready큐에
도착시간
process
P1
P1
0
8
P2
P3
P4
1
2
3
4
9
5
P2
P3
P4
P2
P1
0
정보통신실습 및 특강(5)
Burst시간
1
2
3
8
P4
12
대기시간 : p1=0, p2=(8-1), p3=17-2, p4=12-3
평균대기시간 : 0+7+15+9/4=7.75
22
P3
17
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CPU 스케줄링 알고리즘
라운드로빈(Round-Robin)스케줄링
준비큐에 대기한 프로세스가 순서대로 들어오는데, 일정한 시간(time slice)단위
로 처리.
선입선출 스케줄링과 유사
Process들 간의 교환을 위해서 선점이 추가접수
process
P2
P1
0
4
P3
7
P1
24
P2
P3
3
3
P1
10
Burst시간
P1
14
P1
18
대기시간 : P1=10-4 , P2=4, P3=7
평균대기시간 : 6+4+7 /3 = 5.66
정보통신실습 및 특강(5)
Time quantum = 4로 가정
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P1
22
P1
26
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CPU 스케줄링 알고리즘
시간할당량(time slice)가 클때
선입선출 방식과 동일
시간할당량(time slice)가 작을 때
정보통신실습 및 특강(5)
문맥교환이 자주 발생하고, 응답 시간이 길며, 오버헤드도 커짐
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CPU 스케줄링 알고리즘
다단계 큐(Multilevel Queue) Scheduling
문제점 : 상위(우선순위가 높은것) queue가 비어있지 않은 경우,
정보통신실습 및 특강(5)
하위(우선순위가 낮은것) queue가 에 있는 process는 수행되지 못함
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CPU 스케줄링 알고리즘
다단계 피드백 큐(Multilevel feedback queue)스케줄링
정보통신실습 및 특강(5)
어떤 프로세스가 CPU 시간을 너무 많이 쓰는 경우 낮은 우선순위 큐로 이동시킨
다.
I/O-bound job과 interactive job이 높은 우선순위 큐에 남는 경향이 생김.
aging : time quantum안에 처리 못하는 경우 낮은 우선순위 queue로 이동시킴
(starvation 해소 방안)
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