[운영 체제] 시스템 성능 향상을 위한 스케쥴링 알고리즘 이해하기

스케쥴링 알고리즘이란?

스케쥴링 알고리즘은 시스템 내에서 실행되는 작업(task) 또는 프로세스에 CPU 시간, 메모리, 입출력 장치 등의 자원을 효율적으로 할당하는 방법을 정의합니다.
이러한 자원 관리는 시스템 성능과 응답 시간을 최적화하는 데 매우 중요한 역할을 합니다.

스케쥴링 알고리즘의 유형

1. 장기 스케쥴러(Long-term scheduler)

장기 스케쥴러는 실행 가능한 프로세스를 메모리에 적재할지 여부를 결정합니다.
메모리 관리와 작업 부하 제어를 수행하여 시스템 성능을 향상시킵니다.

2. 단기 스케쥴러(Short-term scheduler) 또는 CPU 스케쥴러

단기 스케쥴러는 메모리 내의 준비 큐에서 어떤 프로세스를 선택하여 CPU에 할당할지 결정합니다.
CPU 사용률과 응답 시간을 최적화하는 것이 주요 목표입니다.

3. 중기 스케쥴러(Medium-term scheduler)

중기 스케쥴러는 메모리에서 프로세스를 내려놓거나 다시 불러올지 결정합니다.
메모리 공간 관리와 시스템 부하 균형 조절에 활용됩니다.

주요 CPU 스케쥴링 알고리즘

선입 선처리(First-Come, First-Served, FCFS)

1. 선입 선처리(First-Come, First-Served, FCFS)

가장 오래된 요청부터 처리하는 방식입니다. 구현이 간단하지만 긴 작업이 있을 경우 평균 대기 시간이 길어질 수 있습니다.

최단 작업 우선(Shortest Job First, SJF)

2. 최단 작업 우선(Shortest Job First, SJF)

가장 짧은 작업부터 처리하는 방식으로, 평균 대기 시간을 최소화할 수 있습니다. 하지만 긴 작업이 무한정 지연될 수 있는 단점이 있습니다.

우선 순위 스케쥴링(Priority Scheduling)

3. 우선 순위 스케쥴링(Priority Scheduling)

각 프로세스에 우선순위를 할당하여 높은 우선순위 작업부터 처리합니다.
중요한 작업을 먼저 실행할 수 있지만, 낮은 우선순위 작업이 기아 상태에 빠질 수 있습니다.

라운드 로빈(Round Robin)

4. 라운드 로빈(Round Robin)

각 프로세스에 일정 시간(타임 슬라이스)만큼 CPU를 할당하고, 그 시간이 지나면 다음 프로세스로 전환합니다.
응답 시간이 빠르지만, 문맥 전환 오버헤드로 인해 효율성이 떨어질 수 있습니다.

5. 다중 수준 큐(Multilevel Queue)

준비 큐를 여러 개의 큐로 나누고, 각 큐마다 다른 스케쥴링 알고리즘을 적용합니다.
프로세스 특성에 따라 적절한 큐에 배치되므로 유연성이 높습니다.

6. 다중 수준 피드백 큐(Multilevel Feedback Queue)

다중 수준 큐에서 프로세스의 CPU 사용 패턴에 따라 큐 간 이동이 가능한 방식입니다.
프로세스 특성 변화에 동적으로 대응할 수 있습니다.

7. 공정 Share 스케쥴링(Fair Share Scheduling)

각 프로세스 또는 그룹에 CPU 시간을 공평하게 배분하는 알고리즘입니다.
대화형 응용 프로그램과 배치 작업 간의 자원 분배에 유용합니다.

스케쥴링 알고리즘 성능 평가 기준

1. CPU 사용률(CPU Utilization)

CPU가 유휴 상태로 있는 시간을 최소화하여 CPU 활용도를 높이는 것이 중요합니다.

2.처리량(Throughput)

단위 시간당 완료되는 작업의 수를 의미하며, 처리량이 높을수록 시스템 효율성이 높습니다.

3. 대기 시간(Turnaround Time)

작업이 제출된 시점부터 완료될 때까지 걸리는 총 시간입니다. 대기 시간이 짧을수록 사용자 만족도가 높아집니다.

4. 응답 시간(Response Time)

요청 후 첫 응답이 나오기까지의 시간으로, 대화형 시스템에서 중요한 지표입니다.

5. 공정성(Fairness)

모든 프로세스에 대해 공평한 자원 할당이 이루어지는지를 평가합니다.

실제 활용 예시

스케쥴링 알고리즘은 운영 체제, 데이터베이스 관리 시스템, 분산 시스템, 실시간 시스템 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용됩니다.
운영 체제에서는 CPU 스케쥴러, 메모리 관리, 디스크 스케쥴러 등에 스케쥴링 알고리즘이 적용됩니다.
프로세스와 쓰레드에 자원을 효율적으로 할당하여 시스템 성능을 극대화합니다.
데이터베이스 시스템에서는 쿼리 최적화, 트랜잭션 스케쥴링, 버퍼 관리 등에 스케쥴링 기법이 사용됩니다. 이를 통해 데이터 접근 성능과 동시성 제어를 개선할 수 있습니다.
실시간 시스템에서는 작업의 우선순위와 마감시간을 고려하여 적절한 스케쥴링 알고리즘을 선택합니다. 예를 들어 율모노톤 스케쥴링, 최대 고정 우선순위 등의 알고리즘이 사용됩니다.
분산 시스템에서는 로드 밸런싱, 태스크 스케쥴링 등에 스케쥴링 기법이 활용됩니다. 시스템 자원을 효율적으로 분배하고 작업 부하를 균등하게 분산시킵니다.

마치며

이처럼 스케쥴링 알고리즘은 시스템 성능과 효율성을 극대화하기 위해 필수적인 기술입니다.
시스템의 요구사항과 작업 특성을 고려하여 최적의 알고리즘을 선택하는 것이 중요합니다.
적절한 스케쥴링을 통해 자원 활용도를 높이고, 응답 시간을 단축하며, 전체적인 시스템 처리량을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 시스템 설계 및 구현 시 스케쥴링 알고리즘에 대한 깊이 있는 이해가 필요합니다.

• 위키백과 : 스케줄링 (컴퓨팅)