[쉽게 배우는 운영체제 연습문제 심화문제 정답] 4장

[쉽게 배우는 운영체제 연습문제 심화문제 정답] 4장

쉽게 배우는 운영체제 출처:http://item.gmarket.co.kr/Item?goodscode=1458765929

[연습문제]

1. 시스템 내 전체 프로세스의 수를 조절하는 것으로, 장기 스케줄링 또는 작업 스케줄링이라고 불리는 스케줄링 수준은 무엇인가?

고수준 스케줄링

2. 어떤 프로세스에 CPU를 할당하고 어떤 프로세스를 대기 상태로 보낼지 등을 결정하는 스케줄링 수준은 무엇인가?

저수준 스케줄링

3. 어떤 프로세스가 CPU를 할당받아 실행 중이더라도 운영체제가 CPU를 강제로 뺴앗을 수 있는 스케줄링은 무엇인가?

선점형 스케줄링

4. 현재 입출력을 진행하는 프로세스로, 사용자와 상호작용이 가능하여 상호작용 프로세스라고도 불리는 것은 무엇인가?

전면 프로세스

5. 준비 큐에 도착한 순서대로 CPU를 할당하는 비선점형 스케줄링 알고리즘은 무엇인가?

FCFS 스케줄링

6. 준비 큐에 있는 프로세스 중 실행 시간이 가장 짧은 작업부터 CPU를 할당하는 비선점형 스케줄링 알고리즘은 무엇인가?

SJF 스케줄링

7. SJF 스케줄링 알고리즘 단점으로 크기가 큰 작업이 계속 뒤로 밀리는 현상을 무엇이라 하는가?

아사 현상

8. 아사 현상을 해결하는 방법을 설명하시오.

HRN 스케줄링. 서비스를 받기 위해 기다린 시간과 CPU 사용시간을 고려하여 스케줄링한다.

9. 서비스르르 받기 위해 대기한 시간과 CPU 사용 시간을 고려하여 우선순위를 정하는 스케줄링 알고리즘 무엇인가?

HRN 스케줄링

10. 프로세스가 할당받은 시간(타임 슬라이스) 동안 작업하다가 작업을 완료하지 못하면 준비 큐의 맨 뒤로 가서 다음 자기 차례가 올 때까지 기다리는 선점형 스케줄링 알고리즘 중 가장 단순한 것은 무엇인가?

라운드 로빈 방식 

11. 타임 슬라이스의 크기와 문맥 교환의 관계를 설명하시오.

라운드 로빈 방식 스케줄링 같은 선점형 방식에서는 문맥 교환 시간이 추가 되기 때문에 평균 대기 시간이 동일 할 때 더 비효율적이다. 타임 슬라이스가 작을 경우 문맥 교환이 너무 자주 일어나 문맥 교환에 걸리는 시간이 실제 작업 시간보다 상대적으로 커지며, 문맥 교환에 많은 시간을 낭비하여 실제 작업을 못하는 문제가 발생한다. 타임 슬라이스가 큰 경우, 라운드 로빈 방식은 FCFS 스케줄링과 다를 바 없다. 따라서 타임 슬라이스는 되도록 작게 설정하되 문맥 교환에 걸리는 시간을 고려하여 적당한 크기로 하는 것이 중요하다.

12. 기본적으로 라운드 로빈 방식을 사용하지만, CPU를 할당받은 프로세스를 선택할 때 남아있는 작업 시간이 가장 적은 것을 선택하는 스케줄링 알고리즘은 무엇인가?

SRT 스케줄링

13. 우선순위에 따라 준비 큐를 여러 개 사용하여 고정형 우선순위를 적용하는 스케줄링 알고리즘은 무엇인가?

다단계 큐 스케줄링

14. 우선순위에 따라 준비 큐를 여러 개 사용하며, 프로세스가 CPU를 사용한 후 우선순위가 낮아지는 특징을 가진 스케줄링 알고리즘은 무엇인가?

다단계 피드백 큐 스케줄링

15. 다단계 피드백 큐 스케줄링에서 마지막 큐에 있는 프로세스(우선순위가 가장 낮은 프로세스)의 타임 슬라이스 크기는 얼마인가?

무한대

16. 다단계 피드백 큐 스케줄링에서 우선순위가 낮아질수록 타임 슬라이스의 크기는 어떻게 변하는가?

커진다

17. 다단계 피드백 큐 스케줄링에서 마지막 큐(우선순위가 가장 낮은 큐)는 어떤 스케줄링 알고리즘처럼 작동하는가?

FCFS 스케줄링 알고리즘

 

 

[심화문제]

1. 스케줄링의 단계와 그 특징을 설명하시오.

스케줄링 단계는 작업 대기, 보류 프로세스, 활성 프로세스, 실행 프로세스, 작업 종류 순으로 진행이 되며 그 중간에 보류, 활성화, 대기 또는 타임아웃, 프로세스 선정의 과정이 있다. 

 작업 대기에서 보류 프로세스 과정에선 고수준 스케줄링이 적용되는데, 전체 시스템의 부하를 고려하여 작업을 시작할지 말지를 결정한다.  시스템의 전체 프로세스 수가 결정되며 메인프레임과 같은 큰 시스템에서 규모가 큰 일괄 작업을 처리할 때 사용된다.

 보류 프로세스에서 활성 프로세스 과정에선 중간 수준 스케줄링이 적용되는데 시스템의 부하를 조절하려면 중간 수준의 스케줄링을 고려해야한다. 시스템에 과부하가 걸려서 전체 프로세스 수를 조절해야 한다면 이미 활성하된 프로세스 중 일부를 보류 상태로 보낸다. 보류된 프로세스는 처리 능력에 여유가 생기면 다시 활성화된다.

 활성 프로세스에서 실행 프로세스 과정에선 저수준 스케줄링이 적용된다. CPU 스케줄러가 필요에 따라 준비 상태에 있는 프로세스를 실행 상태로 옮기기도 하고, 대기 상태로 보내기도 하며, 타임아웃으로 준비상태로 돌려보내기도 한다.

 

2. 스케줄링의 목적을 설명하시오.

CPU 스케줄링의 목적은 6가지가 있다. 

첫째, 공평성. 모든 프로세스가 자원을 공평하게 배정받아야 하며, 자원 배정 과정에서 특정 프로세스가 배제되어서는 안된다.

둘째, 효율성. 시스템 자원이 유휴 시간 없이 사용되도록 스케줄링을 하고, 유휴 자원을 사용하려는 프로세스에는 우선권을 주어야한다.

셋째, 안정성. 우선순위를 사용하여 중요 프로세스가 먼저 작동하도록 배정함으로써 시스템 자원을 점유하거나 파괴하려는 프로세스로부터 자원을 보호해야한다.

넷째, 확장성. 프로세스가 증가해도 시스템이 안정적으로 작동하도록 조치해야한다. 또한 시스템 자원이 늘어나는 경우 이 혜택이 시스템에 반영되게 해야한다.

다섯째, 반응 시간 보장. 응답이 없는 경우 사용자는 시스템이 멈춘 것으로 가정하기 때문에 시스템은 적절한 시간 안에 프로세스의 요구에 반응해야 한다.

여섯째, 무한 연기 방지. 특정 프로세스의 작업이 무한히 연기되어서는 안 된다.

 

3. 선점형 스케줄링과 비선점형 스케줄링을 비교하여 설명하시오.

작업 방식에서 선점형 스케줄링 방식은 실행 상태 에 있는 작업을 중단시키고 새로운 작업을 실행할 수 있지만, 비선점형 스케줄링은 실행 상태에 있는 작업이 완료될 때까지 다른 작업이 불가능하다.

장점으로 선점형은 프로세스가 CPU를 독점할 수 없어 대화형이나 시분할 시스템이 적합하고, 비선점형은 CPU 스케줄러의 작업량이 적고 문맥 교환의 오버헤드가 적다.

단점으로 선점형은 문맥 교환의 오버헤드가 많고, 비선점형은 기다리는 프로세스가 많아 처리율이 떨어진다.

선점형은 시분할 방식 스케줄러에서 사용되며, 비선점형은 일괄 방식 스케줄러에서 사용된다.

중요도 측면에서 선점형은 중요도가 높은 반면 비선점형은 낮다.

 

4. 스케줄링 알고리즘의 선택 기준에 대해 설명하시오.

CPU 사용률: 전체 시스템의 동작 시잔 중 CPU가 사용된 시간을 측정하는 방법이다. 가장 이상적인 수치는 100%이지만 실제로는 여러가지 이유로 90%에도 미치지 못한다.

처리량: 시스템이 정상적으로 작동한다면 일정 시간 후 작업이 끝난다. 처리량은 단위 시간당 작업을 마친 프로세스의 수로, 이 수치가 클수록 좋은 알고리즘이다.

대기 시간: 작업을 요청하더라도 실제 작업이 이루어지기 전까지는 대기 시간이 필요하다. 대기 시간은 작업을 요청한 프로세스가 작업을 시작하기 전까지 대기하는 시간으로, 이 시간이 짧을 수록 좋다.

응답시간: 대화형 시스템에서는 사용자의 요구에 얼마 만에 반응하는지가 중요하다. 응답 시간은 프로세스 시작 후 첫 번째 출력 또는 반응이 나올 때까지 걸리는 시간으로, 이 시간 역시 짧을 수록 좋다.

반환 시간: 프로세스가 생성된 후 종료되어 사용하던 자원을 모두 반환하는 데까지 걸리는 시간이다. 반환 시간은 대기 시간과 실행 시간을 더한 값이다. 

 

5. FCFS, SJF, HRN 스케줄링의 특징을 설명하시오.

공통점은 모두 비선점형 스케줄링 방식이다.

FCFS(First Come First Served) 스케줄링은 준비 큐에 도착한 순서대로 CPU를 할당하는 비선점형 방식으로 선입선출 스케줄링이라고도 한다. 한 번 실행되면 그 프로세스가 끝나야만 다음 프로세스를 실행할 수 있다. 게다가 큐가 하나라 모든 프로세스는 우선순위가 동일하다. 

SJF(Shortest Job First) 스케줄링은 준비 큐에 있는 프로세스 중에서 실행 시간이 가장 짧은 작업부터 CPU를 할당하는 비선점형 방식으로, 최단 작업 우선 스케줄링이라고도 한다. 프로세스에 CPU를 배정할 때 시간이 오래 걸리는 작업이 앞에 있고 간단한 작업이 뒤에 있으면 그 순서를 바꾸어 실행한다. 하지만, 운영체제가 사용자와의 상호작용이 빈번하게 발생하여 프로세스의 종료 시간을 정확하게 예측하기 어렵다. 또한 작업 시간이 길다는 이유만으로 계속 뒤로 밀린다면 공평성이 현저히 떨어진다.

HRN(Highest Response Ratio Next) 스케줄링은 SJF 스케줄링에서 발생할 수 있는 아사 현상을 해결하기 위해 만들어진 비선점형 알고리즘으로, 최고 응답률 우선 스케줄링이라고도 한다. HRN은 서비스를 받기 위해 기다린 시간과 CPU 사용 시간을 고려하여 스케줄링을 하는 방식이다. [ 우선순위 = (대기 시간 + CPU 사용시간) / CPU 사용 시간 ] 으로 우선순위를 결정한다. 하지만 여전히 공평성에 위배된다.

 

6. 라운드 로빈, SRT, 다단계 큐, 다단계 피드백 큐 스케줄링의 특징을 설명하시오.

공통점은 모두 선점형 스케줄링 방식이다.

라운드 로빈(Round Robin, RR)스케줄링 방식은 한 프로세스가 할당받은(타임 슬라이스) 동안 작업을 하다가 작업을 완료하지 못하면 준비 큐의 맨 뒤로 가서 자기 차례를 기다리는 방식이다. 선점형 알고리즘 중 가장 단순하고 대표적인 방식으로, 프로세스들이 작업을 완료할 때까지 계속 순환하면서 실행된다.우선순위가 적용되지 않은 가장 단순한 선점형 스케줄링 방식이다.

SRT(Shortest Remaining Time) 스케줄링은 기본적으로 라운드 로빈 스케줄링을 사용하지만, CPU를 할당받을 프로세스를 선택할 때 남아있는 작업 시간이 가장 적은 프로세스를 선택한다. 하지만 현재 실행 중인 프로세스와 큐에 있는 프로세스의 남은 시간을 주기적으로 계산하고, 남은 시간이 더 적은 프로세스와 문맥 교환을 해야 하므로 SJF 스케줄링에는 없는 작업이 추가된다. 운영체제가 프로세스의 종료 시간을 예측하기 어렵고 아사현상이 일어날 수 있다.

다단계 큐(Multilevel Queue) 스케줄링은 우선순위에 따라 준비 큐를 여러 개 사용하는 방식이다. 우선순위는 고정형 우선순위를 사용하며, 상단의 큐에 있는 모든 프로세스의 작업이 끝나야 다음 우선순위 큐의 작업이 시작된다. 우선순위가 높은 프로세스가 우선순위가 낮은 프로세스보다 먼저 작동할 수 있을뿐더러 우선순위에 따라 타임 슬라이스를 조절하여 작업 효율을 높일 수도 있다.

다단계 피드백 큐 스케줄링은 프로세스가 CPU를 한 번씩 할당받아 실행될 때마다 프로세스의 우선순위를 낮춤으로써, 다단계 큐에서 우선순위가 낮은 프로세스의 실행이 연기되는 문제를 완화한다. 또한 우선순위에 따라 타임 슬라이스의 크기가 다르다. 우선순위가 낮아질수록 해당 큐의 타임 슬라이스가 커진다. 어렵게 얻은 CPU를 좀 더 오랫동안 사용할 수 있도록 우선순위가 낮은 큐의 타임 슬라이스를 크게 설정한다. 

 

7. 아사 현상과 에이징에 대해 설명하시오.

아사(Starvation) 현상은 작업시간이 길다는 이유로 작업이 계속 연기되는 현상을 말한다. 이를 완화하기 위해 에이징이 있다.

에이징은 프로세스가 양보할 수 있는 상한선을 정하는 방식이다. 프로세스가 자신의 순서를 양보할 때마다 나이를 한 살씩 먹어 최대 몇 살까지 양보하도록 규정하는 것이다. 

 

8. 타임 슬라이스의 크기를 정하는 것과 시스템 효율성에 대해 설명하시오.

타임 슬라이스의 크기는 프로세스의 반응 시간에 영향을 미칠 뿐 아니라 시스템 전체의 성능에도 영향을 미친다. 

타임 슬라이스가 큰 경우, 하나의 작업이 끝난 뒤 다음 작업이 시작되는 것처럼 보인다. 타임 슬라이스가 1,000 밀리초 (1초) 인 시스템에서 비디오 플레이어와 워드프로세서가 동시에 실행된다고 가정해보자. 비디오 플레이어 1초, 워드프로세서 1초씩 두 프로그램이 1초 간격으로 실행되어 비디오가 끊겨 보이고 워드프로세서의 반응 속도가 매우 느릴 것이다.

타임 슬라이스가 작은 경우, 1밀리초와 같이 매우 작은 값으로 설정하면 사용자는 여러 프로그램이 동시에 실행되는 것처럼 느낄 것이다. 문맥 교환이 너무 자주 일어나 문맥 교환에 걸리는 시간이 실제 작업 시간보다 상대적으로 커지며, 문맥 교환에 많은 시간을 낭비하여 실제 작업을 못하게 하는 문제가 발생한다.

타임 슬라이스는 되도록 작게 설정하되 문맥 교환에 걸리는 시간을 고려하여 적당한 크기로 하는 것이 중요하다.