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docs: 운영체제 4
- 스케줄링의 기본 개념과 목표, 시스템 자원 할당을 결정하는 수준과 방식인 [비선점형, 선점형]에 대해 학습한다
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‎docs/운영체제/04.md‎

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title: CPU 스케줄링
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description: 스케줄링의 기본 개념과 목표, 시스템 자원 할당을 결정하는 수준과 방식인 [비선점형, 선점형]에 대해 학습한다
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CPU 스케줄링 핵심
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운영체제의 핵심 기능인 CPU 스케줄링의 개념, 목적, 주요 고려사항 및 다양한 알고리즘을 종합적으로 분석한다. CPU 스케줄링은 다중 프로그래밍 환경에서 여러 프로세스에 CPU 자원을 효율적으로 배분하는 작업으로, 시스템의 전반적인 성능을 결정하는 중요한 요소이다.
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스케줄링 방식은 크게 비선점형과 선점형으로 나뉜다. 비선점형 스케줄링은 한 프로세스가 CPU를 점유하면 작업이 끝날 때까지 다른 프로세스가 개입할 수 없는 반면, 선점형 스케줄링은 운영체제가 필요에 따라 실행 중인 프로세스를 중단시키고 다른 프로세스에 CPU를 할당할 수 있다. 대화형 및 시분할 시스템에서는 빠른 응답성을 위해 주로 선점형 방식을 사용한다.
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효과적인 스케줄링을 위해서는 프로세스의 우선순위, CPU 집중 프로세스와 입출력 집중 프로세스의 구분, 전면/후면 프로세스 등의 특성을 고려해야 한다. 일반적으로 커널 프로세스, 전면 프로세스, 입출력 집중 프로세스가 더 높은 우선순위를 갖는다.
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주요 스케줄링 알고리즘들은 각기 다른 장단점을 가지며, 시스템의 목표에 따라 선택된다.
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- 비선점형 알고리즘: FCFS(선입선출)는 간단하지만 처리 시간이 긴 프로세스가 시스템 효율을 저하시키는 '콘보이 효과'가 발생할 수 있다. SJF(최단 작업 우선)는 평균 대기 시간을 최소화하지만, 긴 작업이 무한히 대기하는 '기아 현상'을 유발할 수 있으며, HRN은 이를 보완한다.
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- 선점형 알고리즘: 라운드 로빈(RR)은 모든 프로세스에 공평한 CPU 시간을 할당하지만 문맥 교환 오버헤드가 크다. SRT는 SJF의 선점형 버전이며, 다단계 큐(MLQ)와 다단계 피드백 큐(MFQ)는 우선순위를 기반으로 큐를 여러 개 두어 복잡한 스케줄링을 수행하는 고급 기법이다.
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이러한 스케줄링은 인터럽트 메커니즘을 통해 효과적으로 관리된다. 인터럽트는 입출력 완료와 같은 이벤트를 CPU에 알리는 신호로, 선점형 스케줄링과 시스템 자원 보호를 위한 이중 모드(커널/사용자) 전환의 핵심적인 역할을 담당한다.
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## 1. CPU 스케줄링의 개념과 목적
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### 스케줄링의 정의
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CPU 스케줄링이란 프로세스가 생성되어 실행될 때, 운영체제가 시스템의 다양한 자원(특히 CPU)을 특정 프로세스에 할당하는 작업을 의미한다.<br/> 이는 여러 프로세스가 동시에 실행되는 다중 프로그래밍 환경에서 CPU와 시스템 자원의 배분을 결정하는 운영체제의 핵심 역할이며,<br/> 레스토랑 관리자가 예약, 좌석, 주문, 조리 순서 등을 관리하는 것과 비유할 수 있다.
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CPU 스케줄링은 역할에 따라 세 가지 수준으로 나뉜다.
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- **고수준 스케줄링** (장기 스케줄링): 어떤 작업을 시스템이 받아들일지 결정하여 시스템 내의 전체 작업 수를 조절한다. 작업 스케줄링이라고도 한다.
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- **중간 수준 스케줄링**: 시스템 과부하를 막기 위해 일부 활성화된 프로세스를 '중지(suspend)' 상태로 전환하여 전체 활성 프로세스 수를 조절한다.
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- **저수준 스케줄링** (단기 스케줄링): 준비 상태에 있는 프로세스 중 어떤 프로세스에 CPU를 할당할지 결정한다. 매우 짧은 시간에 빈번하게 발생한다.
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### 스케줄링의 목적
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효과적인 CPU 스케줄링은 다음의 목표를 달성하기 위해 설계된다.
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| 목적 | 설명 |
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| -------------- | ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
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| 공평성 | 모든 프로세스가 자원을 공평하게 배정받아야 하며, 특정 프로세스가 배제되어서는 안 된다. |
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| 효율성 | 시스템 자원이 유휴 시간 없이 사용되도록 스케줄링하고, 유휴 자원을 사용하려는 프로세스에 우선권을 준다. |
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| 안정성 | 우선순위를 사용하여 중요 프로세스가 먼저 작동하도록 배정하고, 악의적인 프로세스로부터 시스템 자원을 보호한다. |
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| 확장성 | 시스템의 프로세스 수가 증가해도 안정적으로 작동하도록 조치하며, 자원 증가의 혜택이 시스템에 반영되게 한다. |
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| 반응 시간 보장 | 시스템은 사용자의 요구에 적절한 시간 안에 반응해야 한다. |
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| 무한 연기 방지 | 특정 프로세스의 작업이 무한히 연기되어서는 안 된다. |
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## 2. 스케줄링 방식의 분류와 주요 고려사항
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### 선점형 스케줄링 vs. 비선점형 스케줄링
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CPU 스케줄링 방식은 실행 중인 프로세스의 작업을 중단시킬 수 있는지 여부에 따라 선점형과 비선점형으로 구분된다.
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| 구분 | 선점형 스케줄링 (Preemptive) | 비선점형 스케줄링 (Non-preemptive) |
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| ----------- | -------------------------------------------------------------------- | ---------------------------------------------------------------- |
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| 작업 방식 | 실행 중인 작업을 중단시키고 새로운 작업을 실행할 수 있다. | 실행 중인 작업이 완료될 때까지 다른 작업이 불가능하다. |
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| 장점 | 한 프로세스가 CPU를 독점할 수 없어 대화형, 시분할 시스템에 적합하다. | CPU 스케줄러의 작업량이 적고 문맥 교환의 오버헤드가 적다. |
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| 단점 | 문맥 교환에 따른 오버헤드가 많다. | CPU 사용 시간이 긴 프로세스 때문에 전체 처리율이 떨어질 수 있다. |
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| 주요 사용처 | 시분할 방식 스케줄링 | 일괄 작업 방식 스케줄링 |
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| 중요도 | 높음 | 낮음 |
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대부분의 현대 운영체제의 저수준 스케줄러는 빠른 응답 시간을 위해 선점형 방식을 사용한다.
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### 스케줄링 시 주요 고려사항
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CPU 스케줄러는 시스템의 효율을 극대화하기 위해 다음과 같은 사항들을 종합적으로 고려하여 우선순위를 결정한다.
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- 프로세스 종류: 커널 프로세스는 일반 프로세스보다 높은 우선순위를 가진다.
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- CPU 집중 vs. 입출력 집중 프로세스:
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- CPU 집중 프로세스 (CPU-bound): 수학 연산과 같이 CPU를 많이 사용하는 프로세스.
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- 입출력 집중 프로세스 (I/O-bound): 파일 복사와 같이 입출력을 많이 사용하는 프로세스.
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- 입출력 집중 프로세스의 우선순위를 높게 설정하면, 해당 프로세스가 입출력을 위해 대기하는 동안 CPU가 다른 작업을 처리할 수 있어 시스템 전체의 효율이 향상된다.
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- 전면 vs. 후면 프로세스:
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- 전면 프로세스 (Foreground): 현재 사용자와 직접 상호작용하는 GUI 화면의 맨 앞 프로세스.
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- 후면 프로세스 (Background): 사용자 입력 없이 백그라운드에서 작동하는 프로세스.
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- 일반적으로 전면 프로세스가 후면 프로세스보다 높은 우선순위를 가진다.
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### 우선순위 요약:
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- 높은 우선순위: 커널 프로세스, 전면 프로세스, 대화형 프로세스, 입출력 집중 프로세스
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- 낮은 우선순위: 일반 프로세스, 후면 프로세스, 일괄 처리 프로세스, CPU 집중 프로세스
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## 3. 다중 큐를 활용한 프로세스 관리
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운영체제는 효율적인 프로세스 관리를 위해 상태별로 여러 개의 큐(다중 큐)를 사용한다.
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### 준비 상태의 다중 큐
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프로세스들은 우선순위에 따라 각기 다른 준비 큐에 삽입된다. CPU 스케줄러는 가장 높은 우선순위를 가진 큐(일반적으로 0번 큐)의 맨 앞에 있는 프로세스부터 CPU를 할당한다. 우선순위 부여 방식에는 두 가지가 있다.
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- 고정 우선순위 방식: 프로세스가 생성될 때 부여받은 우선순위가 끝날 때까지 바뀌지 않는다. 구현은 쉽지만 시스템 환경 변화에 대응하기 어렵다.
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- 변동 우선순위 방식: 프로세스 작업 중간에 우선순위가 변경될 수 있다. 구현은 복잡하지만 시스템 효율성을 높일 수 있다.
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### 대기 상태의 다중 큐
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입출력 요청으로 대기 상태에 들어간 프로세스들은 요청한 입출력 장치별로 구분된 큐에 배치된다.<br/> 이를 통해 시스템은 동일한 장치에 대한 요청을 모아서 처리하여 효율을 높일 수 있다.<br/> 대기 큐에서는 여러 프로세스의 작업이 동시에 완료될 수 있으며, 이때 인터럽트 벡터라는 자료구조를 사용하여 여러 인터럽트를 동시에 처리한다.
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## 4. 주요 CPU 스케줄링 알고리즘 분석
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### 알고리즘 평가 기준
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스케줄링 알고리즘의 성능은 다음 기준으로 평가된다.
110+
111+
- CPU 사용률 (CPU utilization): 전체 시간 중 CPU가 사용된 시간의 비율. 높을수록 좋다.
112+
- 처리량 (Throughput): 단위 시간당 작업을 마친 프로세스의 수. 클수록 좋다.
113+
- 대기 시간 (Waiting time): 프로세스가 준비 큐에서 대기한 시간의 총합. 짧을수록 좋다.
114+
- 응답 시간 (Response time): 첫 번째 반응이 나타나기까지 걸리는 시간. 짧을수록 좋다.
115+
- 반환 시간 (Turnaround time): 프로세스 생성부터 종료까지 걸린 시간 (대기 시간 + 실행 시간). 짧을수록 좋다.
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### 비선점형 알고리즘
118+
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1. FCFS (First-Come, First-Served)
120+
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- 동작 방식: 준비 큐에 도착한 순서대로 CPU를 할당한다.
122+
- 평가: 구현이 간단하지만, 처리 시간이 긴 프로세스가 먼저 도착하면 다른 모든 프로세스의 대기 시간이 길어지는 **콘보이 효과(convoy effect)**가 발생하여 시스템 효율을 저하시킬 수 있다.
123+
124+
2. SJF (Shortest Job First)
125+
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- 동작 방식: 준비 큐에서 실행 시간이 가장 짧은 프로세스에게 CPU를 먼저 할당한다.
127+
- 평가: 평균 대기 시간을 최소화하는 최적의 알고리즘이다. 하지만 실행 시간이 긴 프로세스는 계속해서 순위가 밀려 무한정 대기하는 **기아 현상(starvation)**이 발생할 수 있다. 또한, 운영체제가 프로세스의 종료 시간을 정확히 예측하기 어렵다는 단점이 있다. 기아 현상을 완화하기 위해 에이징(aging) 기법을 사용하기도 한다.
128+
129+
3. HRN (Highest Response Ratio Next)
130+
131+
- 동작 방식: SJF의 기아 현상을 보완하기 위해 만들어졌으며, 우선순위를 (대기 시간 + CPU 사용 시간) / CPU 사용 시간 공식으로 계산하여 값이 가장 높은 프로세스부터 처리한다.
132+
- 평가: 대기 시간이 길어질수록 우선순위가 높아져 기아 현상을 완화하지만, 여전히 공평성이 위배될 수 있어 널리 사용되지는 않는다.
133+
134+
### 선점형 알고리즘
135+
136+
1. 라운드 로빈 (Round Robin, RR)
137+
138+
- 동작 방식: FCFS를 선점형으로 변형한 것으로, 각 프로세스는 할당된 시간(타임 슬라이스) 동안만 실행되고, 시간이 만료되면 준비 큐의 맨 뒤로 이동한다.
139+
- 평가: 시분할 시스템에 적합하며 모든 프로세스에 공평한 기회를 제공한다. 그러나 잦은 문맥 교환으로 인한 오버헤드가 발생할 수 있다.
140+
141+
2. SRT (Shortest Remaining Time)
142+
143+
- 동작 방식: SJF의 선점형 버전으로, 현재 실행 중인 프로세스의 남은 시간보다 더 짧은 실행 시간을 가진 프로세스가 준비 큐에 도착하면 CPU를 빼앗아 할당한다.
144+
- 평가: 평균 대기 시간이 짧지만, 남은 시간을 계속 계산해야 하는 오버헤드가 있고 SJF와 마찬가지로 기아 현상이 발생할 수 있다.
145+
146+
3. 다단계 큐 (Multi-Level Queue, MLQ)
147+
148+
- 동작 방식: 우선순위에 따라 여러 개의 준비 큐를 사용한다. 프로세스는 특정 큐에 영구적으로 할당되며, 각 큐는 독립적인 스케줄링 알고리즘(예: 전면 프로세스 큐는 RR, 후면 프로세스 큐는 FCFS)을 가질 수 있다. 상위 큐의 모든 작업이 끝나야 하위 큐의 작업이 시작된다.
149+
- 평가: 유연한 스케줄링이 가능하지만, 하위 큐의 프로세스는 기아 현상을 겪을 수 있다.
150+
151+
4. 다단계 피드백 큐 (Multi-Level Feedback Queue, MFQ)
152+
153+
- 동작 방식: 다단계 큐를 개선한 방식으로, 프로세스가 큐 사이를 이동할 수 있다. 일반적으로 CPU를 한 번 사용한 프로세스는 더 낮은 우선순위의 큐로 이동한다. 우선순위가 낮은 큐일수록 타임 슬라이스 크기를 크게 설정하여 CPU 점유 확률이 낮은 것을 보완한다.
154+
- 평가: 시스템 변화에 적응력이 높고 기아 현상을 완화할 수 있는 가장 정교한 알고리즘 중 하나이다.
155+
156+
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157+
158+
## 5. 인터럽트 처리와 운영체제 모드
159+
160+
### 인터럽트의 개념 및 종류
161+
162+
인터럽트는 입출력 장치 등의 이벤트 발생을 CPU에 알리는 메커니즘이다. 운영체제가 주기적으로 장치 상태를 확인하는 폴링(polling) 방식과 달리, 이벤트가 발생했을 때만 CPU에 신호를 보내므로 효율적이다.
163+
164+
- 동기적 인터럽트: 현재 실행 중인 명령어 때문에 발생한다. (예: 0으로 나누기, 잘못된 메모리 접근, 사용자의 [Ctrl]+[C] 입력)
165+
- 비동기적 인터럽트: 실행 중인 프로세스와 무관하게 하드웨어 오류나 주변 장치(키보드, 마우스)의 조작으로 발생한다.
166+
167+
### 인터럽트 처리 과정
168+
169+
1. 인터럽트 발생 시, 현재 실행 중인 프로세스는 일시 정지되고 관련 정보가 저장된다.
170+
2. 인터럽트 컨트롤러가 여러 인터럽트의 처리 순서를 결정한다.
171+
3. 인터럽트 벡터에 등록된 해당 인터럽트 핸들러(처리 루틴)가 실행된다.
172+
4. 인터럽트 처리가 완료되면, 일시 정지되었던 프로세스가 재개되거나 종료된다.
173+
174+
### 이중 모드 (Dual Mode)
175+
176+
운영체제는 시스템 자원을 보호하기 위해 이중 모드로 동작한다.
177+
178+
- 커널 모드 (Kernel Mode): 운영체제 커널 코드가 실행되는 상태로, 모든 시스템 자원에 접근할 수 있다.
179+
- 사용자 모드 (User Mode): 일반 사용자 프로세스가 실행되는 상태로, 자원 접근이 제한된다.
180+
181+
사용자 프로세스가 입출력과 같은 보호된 자원에 접근하려면 **시스템 호출(System Call)** 을 통해 운영체제에 서비스를 요청해야 한다.<br/> 이 과정에서 사용자 모드에서 커널 모드로 전환이 일어나며, 작업 완료 후 다시 사용자 모드로 복귀한다.<br/> 이중 모드는 인터럽트를 기반으로 동작하며, 시스템의 안정성과 보안을 보장하는 핵심적인 메커니즘이다.

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