스케줄링 알고리즘 종류와 비교: 프로세스 효율성 극대화하기

목차

스케줄링 알고리즘은 컴퓨터 시스템에서 프로세스가 CPU와 자원을 어떻게 할당받을지를 결정하는 중요한 요소입니다. 현대의 컴퓨터는 다수의 프로세스가 동시에 실행되기 때문에, 효율적인 스케줄링 알고리즘은 시스템의 성능과 사용자 경험에 큰 영향을 미칩니다. 본 글에서는 다양한 스케줄링 알고리즘을 소개하고 이들의 특성과 장단점을 비교하여, 각 알고리즘이 어떤 상황에서 더 적합한지를 살펴보겠습니다.

 

스케줄링 알고리즘은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫째, 선점형 스케줄링(preemptive scheduling)으로, 현재 실행 중인 프로세스의 CPU를 강제로 빼앗아 다른 프로세스에게 할당할 수 있는 방식입니다. 둘째, 비선점형 스케줄링(non-preemptive scheduling)으로, 한 프로세스가 CPU를 점유한 상태에서 다른 프로세스가 개입할 수 없는 방식입니다. 이러한 두 가지 방식은 각각의 사용 사례와 환경에 따라 선택될 수 있습니다.

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비선점형 스케줄링 알고리즘

1. FCFS(First Come First Serve)

FCFS는 가장 간단한 비선점형 스케줄링 알고리즘입니다. 준비 상태 큐에 도착한 순서대로 프로세스에게 CPU를 할당합니다. 이는 이해하기 쉽지만, 긴 프로세스가 먼저 실행되면 뒤에 대기 중인 짧은 프로세스의 대기 시간이 길어지는 문제를 발생시킬 수 있습니다. 이러한 현상을 '호위 효과(convoy effect)'라고 하는데, 이는 전체 시스템의 효율성을 저하시킬 수 있습니다.

 

FCFS의 장점은 구현이 간단하고, 모든 프로세스가 공평하게 CPU를 사용할 수 있다는 점입니다. 그러나, CPU가 긴 프로세스에 의해 점유되면 짧은 프로세스는 오랜 시간 동안 기다려야 하므로 대기 시간이 증가하게 됩니다. 따라서, 대기 시간과 반환 시간의 불균형이 문제가 될 수 있습니다.

2. SJF(Shortest Job First)

SJF는 준비 상태 큐에서 가장 짧은 실행 시간을 가진 프로세스를 우선적으로 실행하는 알고리즘입니다. 이 알고리즘은 평균 대기 시간을 최소화하는 데 효과적이지만, CPU 버스트 시간이 긴 프로세스는 실행되지 않고 대기할 수 있는 '기아 현상'이 발생할 수 있습니다. SJF는 비선점형으로 운영되며, 만약 새로운 프로세스가 도착했을 때 현재 실행 중인 프로세스보다 더 짧은 실행 시간을 가진 경우, 이를 먼저 실행하는 SRTF(Shortest Remaining Time First) 형태로 변화할 수 있습니다.

 

SJF의 장점은 평균 대기 시간을 줄일 수 있다는 점입니다. 그러나 CPU 버스트 시간을 예측하기가 어려워, 비효율적일 수 있으며 기아 현상으로 인해 처리되지 않는 프로세스가 생길 수 있습니다.

선점형 스케줄링 알고리즘

3. RR(Round Robin)

RR 알고리즘은 각 프로세스에게 일정 시간을 할당하고, 그 시간 내에 처리되지 않은 프로세스는 대기 상태로 돌아가 다음 프로세스가 CPU를 사용할 수 있도록 하는 방식입니다. 이 알고리즘은 시간 분할 방식으로서, 모든 프로세스가 공평하게 CPU 시간을 배분받을 수 있습니다. 따라서 대기 시간이 길어지는 문제를 어느 정도 해결할 수 있습니다.

 

하지만, 할당된 시간이 너무 짧으면 문맥 교환(context switching) 오버헤드가 발생하여 전체 시스템의 성능이 저하될 수 있습니다. 반대로, 너무 길면 FCFS와 유사하게 대기 시간이 늘어나는 문제가 발생합니다. 적절한 시간 할당량을 설정하는 것이 중요합니다.

4. SRTF(Shortest Remaining Time First)

SRTF는 SJF의 선점형 버전으로, 현재 실행 중인 프로세스의 남은 실행 시간과 준비 상태 큐에 있는 프로세스의 실행 시간을 비교하여 더 짧은 시간이 남은 프로세스를 우선적으로 실행합니다. 이 알고리즘은 평균 대기 시간을 최소화할 수 있는 최적의 방법으로 평가받고 있습니다.

 

그러나 SRTF 역시 기아 현상과 CPU 버스트 시간 측정의 어려움이 문제가 될 수 있습니다. 따라서 어떤 프로세스가 오래 대기하고 있음을 인식하고 이를 해결하는 방안이 필요합니다.

우선순위 기반 스케줄링

5. Priority Scheduling

우선순위 기반 스케줄링에서는 각 프로세스에 우선순위를 부여하고, 높은 우선순위를 가진 프로세스부터 실행합니다. 이 방법은 일반적으로 빠른 응답 시간을 제공하지만, 낮은 우선순위 프로세스가 계속해서 실행되지 않는 기아 현상을 발생시킬 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 aging 기법을 도입하여, 시간이 지남에 따라 프로세스의 우선순위를 올리는 방법이 있습니다.

 

우선순위 기반 스케줄링은 응답성을 향상할 수 있지만, 프로세스의 우선순위를 설정하는 기준이 명확하지 않으면 비효율적일 수 있습니다. 따라서 이를 개선하기 위해 세심한 설계가 필요합니다.

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다중 큐 스케줄링

6. Multilevel Queue Scheduling

다중 큐 스케줄링은 여러 개의 큐를 생성하여 각각의 큐에 서로 다른 스케줄링 알고리즘을 적용하는 방식입니다. 일반적으로 상호작용 프로세스는 RR 방식으로 처리되고, 배치 프로세스는 FCFS 등의 비선점형 방식으로 처리됩니다. 이 방법은 각 프로세스의 특성을 고려한 효율적인 스케줄링을 가능하게 합니다.

 

하지만 여러 큐 사이의 스케줄링을 조율하는 것이 복잡해질 수 있으며, 특정 큐의 프로세스가 지나치게 오랜 시간 대기하게 될 위험이 있습니다. 따라서 적절한 큐의 설계와 함께 스케줄링을 관리하는 것이 중요합니다.

FAQ 섹션

1. 스케줄링 알고리즘이란 무엇인가요?

스케줄링 알고리즘은 컴퓨터 시스템에서 프로세스가 CPU와 자원을 어떻게 할당받을지를 결정하는 방식입니다. 이를 통해 프로세스의 실행 순서를 조정하고 시스템의 효율성을 극대화하는 역할을 합니다.

2. 비선점형과 선점형 스케줄링의 차이는 무엇인가요?

비선점형 스케줄링은 한 프로세스가 CPU를 점유한 상태에서 다른 프로세스가 개입할 수 없는 방식이며, 선점형 스케줄링은 현재 실행 중인 프로세스의 CPU를 강제로 빼앗아 다른 프로세스에게 할당할 수 있는 방식입니다. 이 차이는 시스템의 응답성과 효율성에 영향을 미칩니다.

결론

스케줄링 알고리즘은 컴퓨터 시스템의 성능과 효율성을 극대화하는 데 필수적인 요소입니다. 다양한 스케줄링 방식은 각각의 장단점이 있으며, 특정 환경과 요구 사항에 맞춰 선택해야 합니다. 비선점형 알고리즘은 구현이 간단하지만 대기 시간이 길어질 수 있으며, 선점형 알고리즘은 응답성을 높일 수 있지만 복잡성이 증가합니다. 따라서 실제 운영체제 설계 시 이러한 알고리즘의 특성과 사용 사례를 고려해야 하며, 각 프로세스의 요구를 충족하는 최적의 스케줄링 방식을 찾아야 합니다.

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