OS 스케줄링 알고리즘

개요

운영체제(OS)에서 프로세스를 효율적으로 실행하기 위해 CPU 스케줄링 알고리즘이 사용됩니다. 스케줄링 알고리즘은 시스템의 성능을 최적화하고, 응답 시간(Response Time), 대기 시간(Waiting Time), 처리량(Throughput)을 조절하여 멀티태스킹 환경에서의 효율적인 자원 배분을 가능하게 합니다. 본 글에서는 대표적인 스케줄링 기법 중 RM(Rate Monotonic), MLQ(Multi-Level Queue), SQMS(Single Queue Multi-Server), MQMS(Multi-Queue Multi-Server) 알고리즘의 개념과 동작 방식, 장단점 및 활용 사례를 살펴봅니다.

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1. OS 스케줄링이란?

CPU 스케줄링은 다중 프로세스가 실행될 때 CPU를 적절히 분배하는 기법으로, 성능을 최적화하고 응답 시간을 단축하는 역할을 합니다. 스케줄링 알고리즘은 선점(Preemptive)과 비선점(Non-Preemptive) 방식으로 나뉘며, 각각의 환경에 맞는 알고리즘이 선택됩니다.

1.1 OS 스케줄링의 필요성

• CPU 활용률 최적화: CPU가 유휴 상태(idle)가 되지 않도록 관리
• 프로세스 응답 시간 개선: 사용자가 빠르게 결과를 받을 수 있도록 조정
• 공정한 프로세스 실행: 특정 프로세스가 과도하게 자원을 독점하는 것을 방지
• 시스템 성능 향상: 대기 시간과 처리량을 균형 있게 조절

1.2 OS 스케줄링의 유형

구분	설명
선점형(Preemptive)	프로세스 실행 중에도 CPU를 다른 프로세스로 교체 가능 (예: RR, SRTF)
비선점형(Non-Preemptive)	프로세스가 종료되거나 I/O 요청을 수행하기 전까지 CPU를 양보하지 않음 (예: FCFS, SJF)

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2. 주요 OS 스케줄링 알고리즘 분석

2.1 RM (Rate Monotonic) 스케줄링

RM(Rate Monotonic) 스케줄링은 실시간 시스템(Real-Time System)에서 주로 사용되는 선점형 알고리즘으로, 주기적 프로세스의 우선순위를 결정하는 방식입니다.

✅ 동작 원리

• 프로세스의 주기가 짧을수록 높은 우선순위를 가짐
• 높은 우선순위의 프로세스가 실행 중이라면, 낮은 우선순위 프로세스는 대기해야 함

✅ 장단점

장점	단점
실시간 태스크에서 일정한 응답 시간 보장	프로세스 주기 충돌 시 CPU 독점 가능
단순한 우선순위 정책으로 구현이 용이	일부 프로세스가 굶주림(Starvation)에 빠질 가능성

✅ 사용 사례

• 실시간 임베디드 시스템 (예: 자동차 제어, 항공기 시스템)
• 산업용 로봇 프로세싱

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2.2 MLQ (Multi-Level Queue) 스케줄링

MLQ 스케줄링은 여러 개의 큐(Queue)를 두고, 프로세스를 우선순위에 따라 분류하여 실행하는 방식입니다.

✅ 동작 원리

• 프로세스를 성격별(예: 시스템 프로세스, 사용자 프로세스, 인터랙티브 프로세스)로 분류하여 여러 개의 큐에 배치
• 각 큐는 독립적인 스케줄링 알고리즘(FIFO, RR 등)을 적용 가능

✅ 장단점

장점	단점
서로 다른 유형의 작업을 효과적으로 분배	큐 간 우선순위 설정이 잘못되면 특정 작업이 지연될 가능성
높은 유연성과 다양한 스케줄링 정책 적용 가능	시스템 부하가 많을 경우 관리 복잡성 증가

✅ 사용 사례

• 운영체제에서 시스템 프로세스와 사용자 프로세스를 분리하여 실행
• 클라우드 환경에서의 작업 분류 및 우선순위 설정

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2.3 SQMS (Single Queue Multi-Server) 스케줄링

SQMS는 하나의 큐에서 다수의 서버가 작업을 가져가서 병렬로 처리하는 방식입니다.

✅ 동작 원리

• 하나의 대기 큐를 유지하고, 여러 개의 CPU 또는 서버가 각 프로세스를 가져가 실행
• 중앙 큐에 있는 프로세스를 빠르게 분배하여 전체적인 응답 시간을 단축

✅ 장단점

장점	단점
시스템 자원을 효율적으로 활용 가능	여러 서버가 동시에 접근 시 동기화 문제 발생 가능
부하 균형 유지에 효과적	특정 서버가 과부하될 가능성 존재

✅ 사용 사례

• 멀티코어 프로세서 환경에서의 프로세스 분배
• 데이터센터에서의 부하 분산(load balancing)

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2.4 MQMS (Multi-Queue Multi-Server) 스케줄링

MQMS는 다중 큐를 활용하여 여러 개의 서버가 작업을 동시에 처리하는 방식입니다.

✅ 동작 원리

• 여러 개의 큐를 운영하며, 각 큐는 서로 다른 유형의 작업을 저장
• 다중 서버가 각 큐에서 태스크를 가져와 병렬로 실행

✅ 장단점

장점	단점
고성능 병렬 처리 가능	큐 관리 및 최적화가 필요
부하 균형이 자동 조절 가능	시스템 설계 복잡성 증가

✅ 사용 사례

• 클라우드 컴퓨팅 및 대규모 분산 시스템
• 네트워크 트래픽 처리 및 부하 분산

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3. 최신 OS 스케줄링 트렌드

트렌드	설명
AI 기반 동적 스케줄링	머신러닝을 활용하여 실시간 부하를 예측하고 스케줄링 최적화
에너지 효율 스케줄링	CPU 전력 소비를 최소화하는 방향으로 스케줄링 기술 발전
클라우드 환경 최적화	VM 및 컨테이너 기반 스케줄링 기법 연구 활발
5G 및 IoT 환경 대응	네트워크 지연을 최소화하는 실시간 스케줄링 기법 연구 진행

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4. 결론

OS 스케줄링 알고리즘은 시스템 성능과 안정성을 결정하는 중요한 요소입니다. 실시간 시스템에서는 RM, 다중 프로세스 관리에는 MLQ, 고성능 컴퓨팅에는 SQMS 및 MQMS가 효과적으로 활용됩니다. 최신 기술 트렌드를 반영하여, AI 및 클라우드 기반 스케줄링 기법을 적용하는 것이 중요합니다.