그래서 운영체제게 프로세스들에게 공정하고 합리적으로 CPU의 자원을 배분하는 것을 "CPU 스케줄링"이라고 한다.
CPU 스케줄링은 컴퓨터의 성능과도 직결되는 부분이라 매우 중요한 역할이다.
CPU를 현명하게 배분하지 못하면 반드시 실행되어야 하는 프로세스들이 실행하지 못하거나, 급하지 않은 프로세스들로만 주로 실행되는 등 무질서한 상태가 발생할 수 있다.
--
프로세스 우선순위
--
운영체제는 프로세스들 중에 먼저 실행해야 하는 순으로 우선순위를 지정한다.
(프로세스의 PCB에 우선순위가 명시되어 있다.)
그래서 우선순위가 높은 프로세스를 먼저 CPU를 할당하여 빠르게 처리할 수 있도록 한다.
일반적으로 입출력 작업이 많은 프로세스가 우선순위가 높다.
입출력 작업이 많은 프로세스가 우선순위가 높은 이유는 입출력 작업을 자주 하게 되면 해당 프로세스는 "실행 상태"와 "대기 상태"를 반복하면서 실행하게 된다. CPU 자원을 할당받는 "실행 상태"일 때가 상대적으로 짧기 때문에 CPU를 사용하고 빠르게 종료되어 시스템의 전체적인 처리 효율성을 높이기 위해서다.
입출력장치를 이용하게 되면 "대기 상태"로 변환하게 되며 그때 다른 프로세스에게 CPU를 할당하여 실행할 수 있기 때문이다.
다만 프로세스의 종류마다 입출력 장치를 이용하는 시간과 CPU를 시용하는 시간의 양에는 차이가 많다.
입출력 집중 프로세스 (I/O Bound Process) : 입출력 작업이 상대적으로 많은 프로세스
CPU 집중 프로세스 (CPU Bound Process) : CPU 작업이 상대적으로 많은 프로세스
"입출력 집중 프로세스"는 상대적으로 입출력을 위한 "대기 상태"에 더 많이 머무르게 되고,
"CPU 집중 프로세스"는 상대적으로 CPU를 많이 사용하기 때문에 "실행 상태"에 더 많이 머루르게 된다.
--
스케줄링 큐 (Scheduling Queue)
--
PCB에 프로세스에 대한 우선순위가 적혀 있지만
운영체제가 다음으로 CPU를 사용할 프로세스를 찾기 위해 모든 프로세스의 PCB를 찾아보는 것은 비효율적이다.
그래서 운영체제는 프로세스들에게 "줄을 지어 대기"하는 것을 요구한다.
이때 지어지는 "줄"을 "스케줄링 큐"로 구현하고 관리한다.
큐(Queue)는 자료 구조 관점에서 선입선출(FIFO) 방식이지만, 스케줄링 큐는 반드시 선입선출(FIFO) 방식일 필요는 없다.
즉, 운영체제는 메모리게 적재되려고 하는(새로 생성되는) 프로세스들과
CPU를 이용하고 싶어 하는 프로세스들, 특정 입출력 장치를 이용하고 싶은 프로세들을
"큐"에 삽입하여 줄을 세운다.
이때 줄의 종류가 여러 가지 있다.
대표적으로 "준비 큐"와 "대기 큐"가 있다.
준비 큐 (Ready Queue) : CPU를 사용하기 위해 기다리는 프로세스들을 관리
대기 큐 (Wating Queue) : CPU 이외의(입출력 장치) 자원을 사용하기 위해 기다리는 프로세스들을 관리
준비 상태에 있는 프로세스들의 PCB는 "준비 큐"의 마지막에 삽입되어 CPU를 사용할 차례를 기다리게 된다.
운영체제는 PCB들이 삽입되어 있는 "큐"를 보고 프로세스를 꺼내서 실행하게 된다.
이때 "큐"에 담긴 PCB의 프로세스들 중에서 우선순위가 높은 프로세스를 먼저 실행한다.
(그래서 선입선출(FIFO)을 꼭 지키지 않는다는 것이다.)
(대기 상태에 있는 대기 큐도 동일)
해당 큐들은 위 그림처럼 하나의 큐로 표현했지만 내부적으로는 종류를 나누어 여러 큐로 관리되고 있다.
예시로 표현한 대기 큐
--
선점형과 비선점형 스케줄링
--
예시로 운영체제가 우선순위가 3인 프로세스 A를 CPU 할당을 시작했다.
그리고 우선순위가 1인 프로세스 B가 "준비 상태"로 들어왔다면,
프로세스 A에 CPU 할당을 중지하고 프로세스 B에게 양보하는 방법과
프로세스 A에 CPU 할당이 끝날 때까지 프로세스 B는 기다리는 방법이 존재한다.
선점형 스케줄링 (Preemptive Scheduling) : A에게 이미 자원을 할당했지만, 운영체제가 강제로 빼앗아 B에게 할당
비선점형 스케줄링 (Non-Preemptive Scheduling) : A에게 자원을 할당했으면, 무슨 일이 있어도 방해하지 않음
장단점
선점형 스케줄링
장점 : 하나의 프로세스의 자원 독점을 막고 자원을 골고루 배분
단점 : 문맥 교환 과정에서 오버헤드 발생 위험
비선점형 스케줄링
장점 : 상대적으로 문맥 교환에서 발생하는 오버헤드가 덜함
단점 : 모든 프로세스가 골고루 자원을 사용하기 어려움
현재 대부분의 운영체제는 "선점형 스케줄링"방식을 사용한다. "비선점형 스케줄링"은 자칫 잘못하면 우선순위가 낮은 프로세스는 계속 밀려 오랫동안 실행을 못할 수 있기 때문
