프로세스 생명주기 (Process Lifecycle)
연산을 담당하는 CPU는 한정되어 있기 때문에 프로세스는 생명주기를 가지고 CPU를 공유하여 사용한다.
프로세스 생명주기는 다음과 같은 5단계를 가진다.
new- 프로세스가 디스크에서 메모리로 올라간 상태
ready- 다른 프로세스가 CPU를 점유하고 있어 대기하는 상태
running- 프로세스가 CPU를 할당 받아 작업을 수행하는 상태
waiting- I/O 요청, 이벤트 완료까지 기다리는 상태, 완료되면 ready queue로 이동
terminated- 프로세스의 생명주기가 끝나 종료된 상태
CPU 스케줄러
CPU 스케줄러란 OS에서 다중 프로그램을 지원하기 위해 프로세스들을 효율적으로 CPU에 할당하는 역할을 수행하는 운영체제 커널의 모듈이다.
스케줄러에는 단기, 중기, 장기 스케줄러가 존재한다.
장기 스케줄러- 어떤 프로세스를 디스크에서 가져와 메모리에 올리기 전 상태인 ready queue에 넣을지 결정하는 역할 수행
- 과거에는 메모리 부족으로 사용했으나, 현대의 OS에서는 장기 스케줄러 없이 디스크에서 바로 메모리로 올림
단기 스케줄러- 특정 스케줄링 알고리즘을 통해 ready 상태인 프로세스들 중 어떤 프로세스를 running 상태로 CPU에 할당할지 결정하는 역할 수행
- ms 이하의 시간 단위로 빈번하게 호출되기에 수행 속도가 매우 빠름
중기 스케줄러- 과도하게 많은 프로세스들을 메모리에 올려 성능 저하가 발생하는 경우를 해결하기 위해 메모리에 적재된 프로세스의 수를 조절하는 역할 수행
- 프로세스 당 메모리 할당량이 적어지면 디스크 I/O가 빈번히 발생하여 성능 저하가 발생하기 때문에 일부 프로세스의 메모리 영역을 디스크의 swap 영역으로 옮기는 swap out 발생
- 중지 준비란 ready 상태의 프로세스가 swap out 하는 것, 봉쇄 중지란 waiting(blocked) 상태의 프로세스가 swap out 하는 것
스케줄링 알고리즘
스케줄링 알고리즘이란 ready queue에 있는 ready 상태인 프로세스들 중 어떤 프로세스에 CPU를 할당하여 running 상태로 만들지 결정하는 것에 사용되는 알고리즘이다.
선점형, 비선점형이 존재한다.
선점형 스케줄링- ready 상태인 프로세스가 running 상태인 프로세스보다 우선순위가 높아지면 context switching 발생
비선점형 스케줄링- 프로세스가 running 상태가 되면 terminated 혹은 waiting(blocked) 상태가 되기 전까지 계속하여 CPU 할당
OS는 다음과 같은 스케줄링 알고리즘들을 사용한다.
FCFS(First-Come, Firsy-Served) Scheduling- 비선점형 스케줄링
- CPU를 먼저 요청하는 프로세스가 먼저 running 상태가 되는 것
- queue를 사용하여 쉽게 구현 가능
SJF(Simple Job First) Scheduling- 비선점형 스케줄링
- 가장 작은 next CPU burst를 가진 프로세스에 우선적으로 CPU를 할당
- 최소의 평균 대기시간을 가지지만 next CPU burst를 예측하기 힘듦
- 프로세스 실행 중 더 작은 next CPU burst를 가진 새로운 프로세스가 들어와도 기다려야 하는 단점 존재
SRT(Shortest Remaining Time) Scheduling- 선점형 스케줄링 (SJF의 선점형 버전)
- SJF의 단점을 보완하기 위해 등장
- running 상태인 프로세스보다 더 작은 next CPU burst를 가진 새로운 프로세스가 등장하면 context switching 발생
RR(Round Robin) Scheduling- 선점형 스케줄링
- time quantum (time slice)라고 불리는 작은 단위의 시간 설정
- ready queue의 한 프로세스에 한 번의 time quantum 동안 CPU 할당
- CPU burst가 시간 할당량을 초과하면 프로세스는 ready queue로 되돌아감
Priority Scheduling- 선점형, 비선점형 스케줄링
- 가장 우선순위가 높은 프로세스 먼저 CPU 할당
- 선점형은 running 상태인 프로세스보다 우선순위가 더 높은 프로세스가 등장하면 context switching
- 우선순위가 낮은 프로세스는 CPU를 할당받지 못하는 기아 상태(starvation), 무한 봉쇄 발생(indefinite blocking)
- 노화(Aging)로 오래 대기하는 프로세스의 우선순위를 높여 해결
Priority with RR Scheduling- Priority 스케줄링을 사용하고, 우선순위가 같은 프로세스는 RR 스케줄링을 사용
MLQ(Multilevel Queue) Scheduling
- 어떤 프로세스냐에 따라서 여러 종류의 queue 사용
- 예를 들어 interactive는 batch보다 높은 우선순위를 가짐
- 이때 interactive는 foreground queue, batch는 background queue
- 각 queue는 서로 다른 스케줄링 알고리즘 사용 가능
MFQ(Multilevel Feedback Queue) Scheduling
- 새로운 프로세스는 모두 낮은 우선순위의 첫번째 queue에 들어감, 가장 하위 queue는 FCFS
- RR 스케줄링으로 동작하여 running 중 time quantum 지나면 다시 낮은 우선순위 queue에 들어감
- 노화(Aging)을 사용하여 너무 오래 대기하는 프로세스는 높은 우선순위 queue로 이동
내일은 개발왕 😎