운영체제 스케줄링 알고리즘의 이해
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운영체제 스케줄링 알고리즘의 개요
운영체제에서 스케줄링은 프로세스들에게 CPU 자원을 효율적으로 배분하는 중요한 역할을 합니다. 스케줄링 알고리즘은 다양한 방식으로 프로세스의 실행 순서를 결정하며, 이를 통해 시스템의 성능을 최적화합니다.
스케줄링 알고리즘은 크게 선점형과 비선점형으로 나눌 수 있습니다. 선점형 스케줄링은 운영체제가 강제로 자원을 다른 프로세스에 할당할 수 있는 방식이며, 비선점형 스케줄링은 프로세스가 자원을 사용 중일 때 해당 프로세스가 종료되거나 대기 상태가 되기 전까지 자원을 빼앗을 수 없는 방식입니다.
왜냐하면 운영체제가 프로세스들 간의 자원 배분을 합리적으로 하기 위해 스케줄링 알고리즘을 사용하기 때문입니다. 이러한 알고리즘은 시스템의 효율성을 높이고, 프로세스 간의 공정성을 보장합니다.
스케줄링 알고리즘의 종류로는 FCFS, SJF, 우선순위 스케줄링, 라운드 로빈, 멀티 레벨 큐 등이 있습니다. 각 알고리즘은 고유한 장점과 단점을 가지고 있으며, 특정 상황에 맞게 선택됩니다.
이번 글에서는 각 스케줄링 알고리즘의 특징과 장단점을 살펴보고, 실제 예제를 통해 이해를 돕고자 합니다.
선입 선처리 스케줄링 (FCFS)
FCFS(First-Come, First-Served) 스케줄링은 가장 간단한 스케줄링 알고리즘 중 하나입니다. 프로세스가 도착한 순서대로 자원을 할당받아 실행됩니다.
이 방식의 장점은 구현이 매우 간단하다는 점입니다. 프로세스가 도착한 순서대로 큐에 삽입되고, 큐의 앞에서부터 순차적으로 실행됩니다.
그러나 FCFS의 단점은 '호위 효과'가 발생할 수 있다는 점입니다. 실행 시간이 긴 프로세스가 먼저 도착하면, 뒤에 있는 프로세스들이 오랫동안 대기해야 하는 문제가 발생합니다.
왜냐하면 FCFS는 프로세스의 실행 시간을 고려하지 않고 단순히 도착 순서대로 자원을 할당하기 때문입니다. 이로 인해 시스템의 응답 시간이 길어질 수 있습니다.
예를 들어, 프로세스 A, B, C가 각각 10ms, 5ms, 2ms의 실행 시간을 가지고 도착 순서대로 실행된다면, 프로세스 C는 15ms 동안 대기해야 합니다. 이는 시스템의 효율성을 저하시킬 수 있습니다.
쇼티스트 잡 퍼스트 스케줄링 (SJF)
SJF(Shortest Job First) 스케줄링은 실행 시간이 짧은 프로세스부터 자원을 할당하는 방식입니다. 이는 FCFS의 단점을 극복하기 위해 고안된 알고리즘입니다.
SJF의 장점은 평균 대기 시간을 최소화할 수 있다는 점입니다. 실행 시간이 짧은 프로세스가 먼저 실행되므로, 전체 프로세스의 대기 시간이 줄어듭니다.
그러나 SJF의 단점은 실행 시간을 정확히 예측하기 어렵다는 점입니다. 입출력 작업이 많은 프로세스는 실행 시간이 짧고, CPU를 많이 사용하는 프로세스는 시간이 길 것으로 예상되지만, 실제 실행 전에 정확한 시간을 예측하기는 어렵습니다.
왜냐하면 실행 시간 예측은 복잡한 문제이며, 다양한 변수에 의해 영향을 받기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 지수 이동 평균 방법 등이 사용되기도 합니다.
예를 들어, 프로세스 A, B, C가 각각 10ms, 5ms, 2ms의 실행 시간을 가지고 있다면, SJF는 프로세스 C, B, A 순서로 실행됩니다. 이는 전체 대기 시간을 줄이는 데 효과적입니다.
우선순위 스케줄링
우선순위 스케줄링은 각 프로세스에 우선순위를 부여하고, 그 순위에 따라 프로세스를 실행하는 방식입니다. 우선순위가 높은 프로세스가 먼저 실행됩니다.
이 방식의 장점은 중요한 작업을 우선적으로 처리할 수 있다는 점입니다. 시스템의 중요한 작업이 빠르게 처리되어야 할 때 유용합니다.
그러나 우선순위 스케줄링의 단점은 '기아 현상'이 발생할 수 있다는 점입니다. 우선순위가 낮은 프로세스는 계속 대기해야 하며, 실행되지 않을 수 있습니다.
왜냐하면 우선순위가 높은 프로세스가 계속해서 자원을 차지하면, 낮은 우선순위의 프로세스는 실행 기회를 얻지 못하기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 '에이징' 기법이 사용됩니다.
에이징 기법은 오랫동안 대기한 프로세스의 우선순위를 점차 높여주는 방식입니다. 이를 통해 기아 현상을 방지하고, 모든 프로세스가 공정하게 실행될 수 있도록 합니다.
라운드 로빈 스케줄링
라운드 로빈 스케줄링은 FCFS에 타임 슬라이스 개념을 더한 알고리즘입니다. 각 프로세스는 정해진 시간 동안만 CPU를 사용하고, 종료하지 않으면 큐의 맨 뒤로 이동합니다.
이 방식의 장점은 호위 효과를 방지할 수 있다는 점입니다. 모든 프로세스가 공정하게 CPU 자원을 사용할 수 있습니다.
그러나 라운드 로빈의 단점은 타임 슬라이스가 너무 작으면 문맥 교환이 자주 일어나 오버헤드가 발생할 수 있다는 점입니다. 타임 슬라이스의 크기를 적절히 설정하는 것이 중요합니다.
왜냐하면 문맥 교환은 시스템 자원을 소모하며, 빈번한 문맥 교환은 시스템의 성능을 저하시킬 수 있기 때문입니다. 따라서 타임 슬라이스의 크기를 적절히 설정하는 것이 중요합니다.
예를 들어, 타임 슬라이스가 10ms로 설정된 경우, 각 프로세스는 10ms 동안만 CPU를 사용하고, 종료되지 않으면 큐의 맨 뒤로 이동합니다. 이를 통해 모든 프로세스가 공정하게 CPU 자원을 사용할 수 있습니다.
스케줄링 알고리즘의 결론
스케줄링 알고리즘은 운영체제의 성능과 효율성을 결정하는 중요한 요소입니다. 각 알고리즘은 고유한 장점과 단점을 가지고 있으며, 특정 상황에 맞게 선택됩니다.
선입 선처리 스케줄링은 구현이 간단하지만 호위 효과가 발생할 수 있으며, 쇼티스트 잡 퍼스트 스케줄링은 평균 대기 시간을 최소화할 수 있지만 실행 시간 예측이 어렵습니다.
우선순위 스케줄링은 중요한 작업을 우선적으로 처리할 수 있지만 기아 현상이 발생할 수 있으며, 라운드 로빈 스케줄링은 호위 효과를 방지할 수 있지만 문맥 교환 오버헤드가 발생할 수 있습니다.
왜냐하면 각 알고리즘은 고유한 특성과 문제점을 가지고 있기 때문입니다. 따라서 시스템의 요구사항과 상황에 맞게 적절한 알고리즘을 선택하는 것이 중요합니다.
스케줄링 알고리즘을 이해하고 적절히 활용함으로써 시스템의 성능을 최적화하고, 프로세스 간의 공정성을 보장할 수 있습니다. 이를 통해 운영체제의 효율성을 높일 수 있습니다.
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