CPU Scheduling

프로세스의 특성 분류

• 프로세스는 그 특성에 따라 다음 두 가지로 나눔
  • I/O-bound process
    • CPU를 잡고 계산하는 시간보다 I/O에 많은 시간이 필요한 Job
    • (many short CPU bursts)
  • CPU-bound process
    • 계산 위주의 Job
    • (few very long CPU bursts)

CPU Scheduler & Dispatcher

• CPU Scheduler
  • Ready 상태의 프로세스 중에서 이번에 CPU를 줄 프로세스를 고른다.
• Dispatcher
  • CPU의 제어권을 CPU scheduler에 의해 선택된 프로세스에게 넘긴다
  • 이 과정을 Context switch(문맥 교환)라고 한다
• CPU 스케줄링이 필요한 경우는 프로세스에게 다음과 같은 상태 변화가 있는 경우이다
  1. Running → Blocked (ex) I/O system call)
  2. Running → Ready (ex) timer interrupt)
  3. Blocked → Ready (ex) I/O 끝나고 interrupt)
  4. Terminate

→1,4는 nonpreemptive(자진반납)

→나머지 preemptive(=강제로 빼앗음)

Scheduling Criteria

→Performance Index ( = Performance Measure, 성능 척도)

• CPU utilization (이용률)
  • keep the CPU as busy as possible (CPU가 놀지않고 작업을 수행)
• Throughput(처리량)

  • of processes that complete their execution per time unit( 단위시간 당 수행한 작업 수)

• Turnaround time(소요시간, 변환시간)
  • amount of time to execute a particular process (CPU를 사용하기 시작해서 I/O나 종료까지 걸린 시간의 총 합)
  • 메모리 적재를 기다리는 시간, Ready 큐에서 대기 시간, CPU에서 실행시간, IO 시간의 총합
• Waiting time(대기 시간)
  • amount of time a process has been waiting in the ready queue ( CPU 사용하기 위해 대기한 시간의 총합)
• Response time(응답 시간)
  • amount of time it takes from when a request was submitted until the first response is produced, not output (for time-sharing environment) (최초로 CPU를 사용하기까지 걸린 시간)

→ 이용률, 처리량 : 시스템 입장에서의 성능 척도

→ 소요시간, 대기시간, 응답시간 : 프로그램 입장에서의 성능 척도

Scheduling Algorithms

FCFS(First-Come First-Served)

• 먼저 오면 먼저 사용

ex) P1 - 24 , P2 - 3, P3 - 3

프로세스 도착 순서 P1, P2, P3

P1 = 0~24, P2 = 24~27, P3 = 27~30

→Average waiting time : (0 + 24 + 27)/3 = 17

• Convoy effect : short process behind long process

SJF(Shortest-Job-First)

• 각 프로세스의 다음번 CPU burst time을 가지고 스케줄링에 활용
• CPU burst time이 가장 짧은 프로세스를 제일 먼저 스케줄
• Two schemes:
  • Nonpreemptive
    • 일단 CPU를 잡으면 이번 CPU burst가 완료될 때까지 CPU를 선점 당하지 않음
  • Preemptive
    • 현재 수행중인 프로세스의 남은 burst time보다 더 짧은 CPU burst time을 가지는 새로운 프로세스가 도착하면 CPU를 빼앗김
    • 이 방법을 Shortest-Remaining-Time-First(SRTF)이라고도 부른다
• SJF is optimal
  • 주어진 프로세스들에 대해 minimum average waiting time을 보장(preemptive 버전)

ex) Process Arrival Time Burst Time

P1 0.0 7

P2 2.0 4

P3 4.0 1

P4 5.0 4

SJF(non-preemptive)

P1 : 0~ 7 P3 : 7~8 P2 : 8~12 P4 : 12~16

Average waiting time = (0 + 6 + 3 + 7)/4 = 4

ex) Process Arrival Time Burst Time

P1 0.0 7

P2 2.0 4

P3 4.0 1

P4 5.0 4

SJF(preemptive)

P1 : 0~2 P2 : 2~4 P3 : 4~5 P2 : 5~7 P4 : 7~11 P1 : 11~16

Average waiting time = (9 + 1 + 0 + 2)/4 = 3

→ long process가 Starvation(기아)상태에 빠질 수 있음

→실제론 CPU burst time을 알 수 없기 때문에 예측해야함

다음 CPU Burst Time의 예측

• 다음번 CPU burst time을 어떻게 알 수 있는가? (input data, brance, user...)
• 추정(estimate)만이 가능하다
• 과거의 CPU burst time을 이용해서 추정 (exponential averaging)
  1. Tn = actual length of nth CPU burst
  2. T(타우)n+1 = predicted value for the next CPU burst
  3. a , 0 ≤ a ≤ 1
  4. Define : Tn+1 = aTn + (1-a)T’n

Priority Scheduling

• A priority number(integer) is associated with each process
• highest priority를 가진 프로세스에게 CPU 할당 (smallest integer - highest priority)
  • Preemptive
  • nonpreemptive
• SJF는 일종의 priority scheduling이다
  • priority = predicted next CPU burst time
• Problem
  • Starvation(기아 현상) : low priority process may never execute
• Solution
  • Aging(노화) : as time progresses increase the priority of the process

Round Robin (RR)

• 각 프로세스는 동일한 크기의 할당 시간(time quantum)을 가짐 (일반적으로 10-100 ms)
  
• 할당 시간이 지나면 프로세스는 선점(preempted)당하고 ready queue의 제일 뒤에 가서 다시 줄을 선다
• n 개의 프로세스가 ready queue에 있고 할당 시간이 q time unit인 경우 각 프로세스는 최대 q time unit 단위로 CPU 시간의 1/n을 얻는다. → 어떤 프로세스도 (n-1)q time unit 이상 기다리지 않는다.
  
• Performance
  • q large → FCFS
  • q small → context switch 오버헤드가 커진다

ex) Process Burst Time

P1                       53

P2                       17

P3                       68

P4                       24

• 일반적으로 SJF보다 average turnaround time이 길지만 response time은 더 짧다.

Multilevel Queue

• Ready Queue를 여러 개로 분할
  • foreground (interactive)
  • background (batch - no human interaction)
• 각 큐는 독립적인 스케줄링 알고리즘을 가짐
  • foreground - RR
  • background - FCFS
• 큐에 대한 스케줄링이 필요
  • Fixed priority scheduling
    • server all from foreground then from background
    • Prossibility of starvation
  • Time slice
    • 각 큐에 CPU time을 적절한 비율로 할당
    • Eg., 80% to foreground in RR, 20% to background in FCFS

Multilevel Feedback Queue

• 프로세스가 다른 큐로 이동 가능
• 에이징(aging)을 이와 같은 방식으로 구현할 수 있다.
• Multilevel-feedback-queue scheduler를 정의하는 파라미터들
  • Queue의 수
  • 각 큐의 scheduling algorithm
  • Process를 상위 큐로 보내는 기준
  • Process를 하위 큐로 내쫓는 기준
  • 프로세스가 CPU 서비스를 받으려 할 때 들어갈 큐를 결정하는 기준

Multiple-Processor Scheduling

• CPU가 여러 개인 경우 스케줄링은 더욱 복잡해짐
• Homogeneous processor인 경우 (프로세스의 기능이 동일)
  • Queue에 한줄로 세워서 각 프로세서가 알아서 꺼내가게 할 수 있다
  • 반드시 특정 프로세서에서 수행되어야 하는 프로세스가 있는 경우에는 문제가 더 복잡해짐
• Load sharing (부하 공유)
  • 일부 프로세서에 job이 몰리지 않도록 부하를 적절히 공유하는 메커니즘 필요
  • 별개의 큐를 두는 방법 vs 공동 큐를 사용하는 방법
• Symmetric Multiprocessing (SMP, 모든 CPU가 대등)
  • 각 프로세서가 각자 알아서 스케줄링 결정
• Asymmetric multiprocessing (하나의 CPU가 전체적인 컨트롤을 담당)
  • 하나의 프로세서가 시스템 데이터의 접근과 공유를 책임지고 나머지 프로세서는 거기에 따름

Real-Time Scheduling

• Hard real-time systems
  • task가 정해진 시간 안에 반드시 끝내도록 스케줄링해야 함
• Soft real-time computing
  • task가 일반 프로세스에 비해 높은 priority를 갖도록 해야 함

Thread Scheduling

• Local Scheduling
  • User level thread의 경우 사용자 수준의 thread library에 의해 어떤 thread를 스케줄할지 결정
• Global Scheduling
  • Kernel level thread의 경우 일반 프로세스와 마찬 가지로 커널의 단기 스케줄러가 어떤 thread를 스케줄할지 결정

Algorithm Evaluation

• Queueing models
  • 확률 분포로 주어지는 arrival rate와 service rate 등을 통해 각종 performance index 값을 계산
  • 예전에 많이 썼음
• Implementation (구현) & Measurement (성능 측정)
  • 실제 시스템에 알고리즘을 구현하여 실제 작업(workload)에 대해서 성능을 측정 비교
  • 가장 정확하나 구현이 쉽지않음
• Simulation (모의 실험)
  • 알고리즘을 모의 프로그램으로 작성후 trace를 입력으로 하여 결과 비교