/usr/lib/libsora.so

Linux Process Scheduling

2014년 2학기 시스템 프로그래밍 시험 공부

시스템 프로그래밍 시험 공부하면서 정리한 내용이다. 내용 갱신은 없을 예정이다.

Linux Process Scheduling

Process Schdeuling

  • 언제 switch 할 것인가 + 무엇을 switch 할 것인가?
  • 목표
    • 빠른 프로세스 반응 시간
    • 백그라운드 작업의 좋은 처리량(throughput)
    • 프로세스 기아 방지
    • high/low-우선순위 프로세스 중재

프로세스 분류

  • 전통적인 분류 방법
    • I/O-bound vs CPU-bound
  • 다른 분류 방법
    • 인터렉티브 프로세스
      • 유저가 입력할때 반응해야됨 -> 빠른 반응성 중요
    • 배치 프로세스
      • 높은 처리량
    • 실시간 프로세스
      • high/low-우선순위 지기키
      • 데드라인은 무조건 지키기

Linux Scheduling 기본 원리

  • 스케줄링 정책 : 언제, 어떻게 프로세스를 선택하는 규칙
  • Time Sharing
    • time quantum 만큼 실행. 끝나면 스케줄링
  • 우선순위 기반(Priority-based)
    • 정적 우선순위(static priority) : 실행시 결정
    • 동적 우선순위(dynamic priority) : 런타임 감시하면서 변동
  • Preemptive Scheduling : 선점 스케줄링

Preemptive

  • block 풀린게 현재 실행중인 프로세스보다 우선순위가 높으면 즉시 우선순위가 높은 작업을 실행한다
  • Running->Exit, Running->Blocked 일때만 ownership 교체 가능하면 non-preemptive
  • Blocked->Ready, Running->Ready(time quantum 소모) 일때도 스케줄링이 가능하면 Preemptive

POSIX.4

SCHED_FIFO

  • Real-time
  • 시간 제한 없이 작업을 실행. 같은 우선순위 작업큐에 여러 프로세스 있어도 이전 작업이 끝날때까지 다음것은 실행되지 않는다
  • 선점 발생하는 조건
    • 작업중인 프로세스가 blocked(ex:I/O)
    • 우선순위가 더 높은 프로세스가 실행 가능 상태
    • sched_yield() 호출
  • priority : 0~99
  • only supervisor mode

SCHED_RR

  • Real-time
  • time quantum만큼 실행된다. 같은 우선순위에 여러개의 프로세스가 존재하면 time quantum씩 돌아가면서 실행됨
  • priority : 0~99
  • only supervisor mode

SCHED_OTHER

  • Best-effort
  • 일반적인 프로세스가 이 정책으로 수행된다
  • proiority: 100~139

O(1) Scheduler

  • 2.4에서는 O(n), 2.6부터는 O(1)
  • 2.6.23부터는 CFS(Completely Fair Schduler)
    • RB-Tree기반, I/O 까지 추적해서 스케줄링 정책 결정
  • TASK_RUNNING 상태의 프로세스는 자신의 우선순위에 맞는 runqueue에 들어간다
  • 0~139까지 140개의 runqueue
  • runqueue list는 2개가 존재한다. active, expired
  • active에 있는 모든 작업을 처리하면 active와 expired를 바꾼다.
  • CPU마다 독립적인 runqueue가 존재

Static Priority

  • 100~139, 기본값=120 (SCHED_OTHER)
  • time quantum 결정 공식
    • (140 - static_prio) * 20 (if static_prio < 120)
    • (140 - static_prio) * 5 (if static_prio >= 120)

Dynamic Priority

좋은 반응시간을 유지하는 것이 목적이다. Sleep time을 이용해서 프로세스별로 다른 우선순위를 준다. nice

I/O Bound

  1. time quantum을 줘도 못쓴다
  2. 근데 반응성 때문에 자주 실행되어야한다
  3. 높은 우선순위 부여

    CPU Bound

  4. time quantum을 주면 아마도 전부 다 쓸거다

  5. 독점 발생 가능

  6. 낮은 우선순위 부여

Real-time / Non-Real-time

  • Real-time process
    • 정적 우선순위만 존재한다
  • SCHED_FIFO
    • time quantum이 존재하지 않는다
  • SCHED_RR
    • time quantum이 존재한다.
    • expired로 이동하진 않는다. active에서만 움직임
  • active - expired queue list 교체는 TASK_RUNNING 상태의 Real-time 작업이 없을때만 가능하다.

Scheduling for fork()

  • time quantum은 parent와 child가 적절히 쪼개 갖는다
    • child = (time_quantum + 1) / 2
    • parent = (time_quantum) / 2
    • orig = chlid + parent
    • child >= parent
    • ex: orig=9, child=5, parent=4
    • ex: orig=1, child=1, parent=0
  • fork한 다음에 child와 parent의 time quantum의 합이 원래보다 크면 불공평 발생(계속 fork할 경우 독점 가능)
  • 부모보다 자식한테 quantum을 더 준다. 자식이 fork후에 실행되서 유저 스택 페이지 복사와 같은 작업을 할 수 있다.

Scheduler 관련 함수

  • schedule()
  • schduler_tick() : 매 tick마다 호출
  • try_to_wake_up()

Invocation

  • Direct Invocation
    • 현재 프로세스가 직접 schduele() 함수를 호출
    • 현재 프로세스가 리소스를 사용할수 없어서 블럭될 경우 발생
    • Non-preemptive에서도 가능
  • Lazy Invocation
    • TIF_NEED_RESCHED 플래그를 올려놓으면 나중에 스케줄러가 호출된다
    • 유저 모드 프로세스를 실행하기 전에 flag를 확인한다.
      • 시스템콜 끝나고 리턴
      • 인터럽트 핸들러 끝나고 리턴(timer interrupt 같은거 포함)
      • etc…
    • Preemptive CPU Scheduling 에서만 가능

Direct Invocation

  • 현재 프로세스가 블럭될때 커널은 다음 작업을 수행한다
    1. current를 wait queue에 집어넣는다
    2. current state = TASK_INTERRUPTIBLE or TASK_UNINTERRUPTIBLE
    3. schduler() 호출
    4. 리소스가 사용가능한지 확인, 사용할수 없으면 2번으로
    5. 리소스를 사용할수 있으면 current를 대기큐에서 제거

Lazy Invocation

  • current 프로세스의 TIF_NEED_RESCHED가 1이면 발생
  • 발생 가능한 경우
    • time quantum을 전부 사용한 경우(timer interrupt)
      • scheduler_tick()
    • 새로 깨어난 프로세스의 우선순위가 현재보다 높은 경우
      • try_to_wake_up()
    • sched_setscheduler(), sched_yield() 호출

schedule()

  • 적절한 작업을 runqueue에서 선택하기
  • switch_mm() : virtual address space 교체
  • switch_to(prev, next, prev) : context switch

Preemption

  • linux 2.4까지는 non-preemptive

User-Mode Preemption

  • 커널이 user-space로 되돌아갈때 TIF_NEED_RESCHED 확인해서 스케줄러가 동작

Kernel-Mode Preemption

  • 2.6부터 full preemptive
  • 커널 모드에서도 preempt 가능
    • 장점 : 현재 프로세스가 user mode 진입할 때 까지 기다리지 않아도 된다. (user-mode preemption만 가능할 경우)

Kernel Preemption

  • 락이 걸려있지 않을때만 kernel mode에서 preempt 가능
  • struct thread_info의 preempt_count 이용
    • preempt_count : default=0, preemptable
    • lock 획득 -> preempt_count++
    • lock 놓기 -> preempt_count–
  • interrupt끝나고 kernel space진입할때 다음을 처리
    • TIF_NEED_RESCHED==1 and preempt_count==0
      • reschedule
    • TIF_NEED_RESCHED==1 and preempt_count>0
      • 락이 풀릴때까지 스케줄링 연기

Multiprocess scheduling

  • Runqueue는 CPU마다 독립적으로 존재한다
  • 프로세스는 한쪽에만 존재할수 있다. 동시에 양쪽에 존재 못함
  • 작업은 일반적으로 했던 CPU에서 다시 실행
    • CPU를 건너다니면 캐시 miss
  • CPU별로 로드밸런싱이 필요

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