[CS 공부🤖 - 운영체제] Section 4. 프로세스 Ⅱ

가볍게 알아보는 CS 지식!

아래 순서로 진행해볼게요!🧐

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☝🏻프로세스

• 프로세스(Process)와 스레드(Thread)의 개념
• 프로세스 상태 전이
• PCB (Process Control Block, 프로세스 제어 블록)
• 문맥 교환(Context Switching)

✌🏻프로세스 스케줄링

• 스케줄링의 개념과 목적
• 스케줄링 기법

👌🏻스케줄링 알고리즘

• 선점형 기법
• 비 선점형 기법

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✌🏻프로세스 스케줄링

✅ 스케줄링(Scheduling)의 개념과 목적

✔️ CPU 스케줄링(CPU Scheduling)

메모리에 올라온 프로세스(process)들 중 어떤 프로세스를 먼저 처리할지 순서를 정하는 것으로, 준비 큐(Ready Queue)에 있는 프로세스들 중 CPU를 할당받을 프로세스를 결정하는 과정을 의미한다.

 

• CPU 스케줄링이 발생하는 상황
   CPU 스케줄링은 프로세스(process)의 상태가 전환될 때 발생한다.
  
  
  
• CPU 스케줄링의 목적
  • 공평성: 모든 프로세스가 자원을 공평하게 배정받아야 함
  • 효율성: 시스템 자원을 최대한 활용하여 스케줄링하여야 함
  • 안정성: 중요한 프로세스가 우선적으로 처리되어야 함
  • 반응 시간 보장: 프로세스의 요구에 적절한 시간 내에 반응해야 함
  • 무한 연기 방지: 특정 프로세스가 무한히 연기되지 않도록 해야 함

 

💡 다중 프로그래밍

다중 프로그래밍은 CPU가 항상 실행중인 프로그램을 가지도록 하여 CPU 이용률을 최대화하는 것을 목적으로 한다. 따라서 현재 실행 상태에 있던 프로세스(process)가 다른 상태로 전이하게 될 때(즉 CPU가 유휴 상태가 될 때), 운영체제(OS)는 그 프로세스로부터 CPU를 회수하여 실행 상태로 전이시킬 다른 프로세스를 선정하고 CPU를 할당한다.

프로세스 상태 전이도

이때 다음으로 실행시킬 프로세스는, CPU 스케줄러(CPU Scheduler)에 의해 준비 큐(Ready Queue)에 들어있는 프로세스들 중 하나를 선택하게 된다. (준비 큐에 대기하고 있는 프로세스들은 언제든지 실행될 수 있는 상태이며, 프로세스들의 PCB(Process Control Block)들이 준비 큐에 저장된다. PCB에는 각 프로세스의 우선순위(priority) 정보가 담겨있다.)

이미지 출처: https://eunajung01.tistory.com/60

 

📌 프로세스 우선순위

CPU를 사용하고 싶어하는 프로세스들이 순차적으로 CPU를 사용하게 하는 방법은 언뜻 들으면 합리적인 방식 같으나, 프로세스마다의 우선순위를 고려하지 못한다는 한계점이 있다. 빠르게 처리해야 하는 프로세스일수록 우선순위가 높은데, 대표적으로는 입출력(I/O) 작업이 많은 프로세스가 해당한다.

💭 입출력(I/O) 작업이 많은 프로세스가 우선순위가 높은 이유는 무엇일까? 
CPU 집중 프로세스(CPU bound process)가 입출력 집중 프로세스(I/O bound process)보다 CPU 사용량이 상대적으로 많은 프로세스이므로 동일한 빈도로 CPU를 할당하는 것은 비합리적이다. 만약, CPU 집중 프로세스와 입출력 집중 프로세스가 동시에 CPU 자원을 요구한다고 가정하면, 입출력 집중 프로세스를 가능한 한 빨리 실행시켜 입출력장치를 끊임없이 작동시키고, 그 다음 CPU 집중 프로세스에 집중적으로 CPU를 할당하는 것이 더 효율적이기 때문이다. 

출처: <혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제>

▶ 즉, I/O bound process에 우선순위를 두어 입출력 작업이 발생했을 때, 작업을 완료하기 전까지 CPU bound process는 대기 상태로 존재하게 되는데, 만약 I/O bound process의 작업이 빨리 완료된다면 CPU는 대기 없이 다른 프로세스를 바로 실행할 수 있다. 반면 CPU bound process에 우선순위를 둔다면, I/O가 필요한 프로세스는 계속 대기하게 되므로 CPU가 비효율적으로 사용될 수 있다.

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출처: <혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제>

- CPU 버스트 (CPU burst): CPU를 이용하는 작업을 의미
- 입출력 버스트 (I/O burst): 입출력(I/O)장치를 기다리는 작업


프로세스의 종류마다 입출력(I/O) 장치 이용 시간과 CPU 이용 시간의 양에 차이가 존재하는데, 이를 기준으로 아래와 같이 분류할 수 있다.

- 입출력 집중 프로세스 (I/O bound process)
  입출력(I/O) 작업이 많은 프로세스. 즉 입출력 버스트(I/O burst)가 많은 프로세스로, 실행 상태보다는 입출력을 위한 대기(Waiting) 상태에 더 많이 머무르게 됨. 대표적으로는 비디오 재생 또는 디스크 백업 작업 담당 프로세스가 있음.

- CPU 집중 프로세스 (CPU bound process)
  CPU 작업이 많은 프로세스. 즉 CPU 버스트(CPU burst)가 많은 프로세스로, 대기(Waiting) 상태보다는 실행(Running) 상태에 더 많이 머무르게 됨. 대표적으로 복잡한 수학 연산과 컴파일, 또는 그래픽 처리 작업을 담당하는 프로세스가 있음.


▶ 운영체제(OS)는 각 프로세스의 PCB에 우선순위(priority) 정보를 명시하며, 해당 정보를 기준으로 우선순위가 높은 프로세스는 더 빨리, 더 자주 실행된다.

💡 CPU 스케줄링 성능의 척도

▶ 프로세서(CPU) 측면
- CPU 사용률
- 처리량 (Throughput)

▶ 프로세스 측면
- 대기 시간 (Waiting Time): CPU 할당받기 전, 준비 큐(Ready Queue)에서의 대기 시간
   → 프로세스가 CPU를 얻었다가 반환하고 다시 대기하는 시간을 모두 포함한 시간

- 응답 시간 (Response Time): 대기 상태에서 CPU를 최초로 얻기까지 걸리는 시간
   → Ready Queue에 들어온 후 최초로 CPU를 얻기까지 걸린 시간

- 반환 시간 (Turn - around Time): 프로세스 생성부터 종료 후 자원 반환까지 걸리는 시간

 

💭 입출력(I/O) 작업에는 CPU가 할당될까?

입출력 제어 방식(입출력 또는 입출력 장치를 제어하는 방식)은 아래와 같이 분류된다.

• CPU에 의한 방식
• DMA (Direct Memory Access) 방식
• 채널(Channel) 제어기에 의한 방식

 

1. CPU에 의한 방식

• 초기의 컴퓨터가 입출력(I/O) 장치를 제어한 방식.
  • 입출력 장치가 컴퓨터에 연결되면 CPU 내에 고유의 레지스터가 할당되며, 여기에는 작동 여부를 표시하는 상태 레지스터(Status Register)가 존재함
  • CPU가 어떤 입출력 장치를 사용할 땐, 해당 장치의 상태 레지스터에게 인터럽트를 걸어 사용 여부를 표시하는 방식으로 제어함
  • 이때, CPU가 연결되어 있는 입출력 장치의 상태 레지스터를 모두 검사하면서 상태여부를 판단하는 과정을 Polling이라 함
  • 따라서 CPU 자원을 사용하는 입출력(I/O)제어 방식임.
    • CPU 자원 낭비 문제가 존재함 → 현재 진행해야 하는 작업이 있음에도, 입출력 장치를 사용하는 경우 CPU 자원이 입출력 장치를 제어하는 데 할당되기 때문

✔ Polling(폴링)
컴퓨터가 외부 장치나 상태를 주기적으로 확인하거나 읽는 프로세스

→ 컴퓨터의 CPU가 현재 실행중인 작업을 일시 중단하고 우선순위가 높은 다른 작업(이벤트)를 먼저 처리하는 인터럽트(interrupt)와 대비되는 개념이다.

 

 

 

2. DMA(Direct Memory Access) 방식

•  DMA라는 중간 기기를 사용한 방식으로, 입력된 데이터를 주기억장치(e.g. CPU)에서 처리하는 방식으로 작동하던 기존 방식과 달리 CPU의 개입 없이 입출력(I/O)이 처리되는 방식.

 

 

✅ 스케줄링 기법

 

✔ 선점형 스케줄링 (Preemptive Scheduling)

운영체제(OS)가 현재 실행중인 프로세스로부터 CPU를 강제로 빼앗아 다른 프로세스에 할당할 수 있는 방식

• 어느 하나의 프로세스가 자원 사용을 독점할 수 없는 스케줄링 방식
  • 프로세스마다 정해진 시간 만큼 CPU를 사용하고, 정해진 시간을 모두 소비하여 타이머 인터럽트가 발생하면 운엉체제(OS)가 해당 프로세스로부터 CPU 자원을 빼앗아 다음 프로세스에 할당함
  • CPU 처리 시간이 매우 긴 프로세스의 CPU 사용 독점을 막을 수 있어 효율적인 운영이 가능함
• 오버헤드(Overhead)가 많이 발생할 수 있음
• 종류
  • Round Robin
  • SRT
  • 다단계 큐 (MLQ, Multi-Level Queue)
  • 다단계 피드백 큐 (Multi-Level Feedback Queue)

 

✔ 비선점형 스케줄링 (Non-Preemptive Scheduling)

프로세스가 CPU를 점유하고 있다면 운영체제(OS)가 이를 빼앗을 수 없는 방식

• 공정성을 보장하고 문맥 교환 오버헤드(overhead)가 적지만, 처리율(throughput)이 떨어질 수 있음
• 다음에 처리해야 할 프로세스와 관계없이 응답시간 예상이 가능함
• 종류
  • FCFS
  • SJF
  • HRN
  • 우선순위
  • 기한부

 

✔ 기아현상과 에이징 기법

• 기아현상(Starvation): 시스템에 부하가 많아서 우선순위가 낮은 프로세스가 무한정 기다리는 현상
  
  • SJF, 우선순위, SRT, MLQ 등이 해당함
• 에이징 기법(Aging): 기아현상을 해결하기 위한 기법
  • HRN, MLFQ 등이 해당함

 

 

✔️참고한 사이트

[Chapter 5. CPU 스케줄링] CPU 스케줄링과 성능 평가의 기준

[Chapter 3. 프로세스] 프로세스의 상태

[운영체제/OS] 프로세스 관리

[운영체제] CPU 스케줄링 (선점 & 비선점)

26. 입출력 구조 - 입출력 제어

[컴퓨터구조] 시스템 버스(System bus)

[컴퓨터구조] 레지스터의 역할과 종류

입출력 제어방식

DMA(Direct Memory Access) 개념