하드 디스크의 구조를 바탕으로 스케쥴링을 하는 방법에 대해 알아본다.

1. 디스크 스케줄링

보조기억장치는 현재 여러 가지 존재하지만 아직까지는 하드 디스크가 주로 사용된다.

하드 디스크의 구조는 앞서 살펴봤듯이 위 그림과 같다. 디스크에 접근하는 시간은 Seek time(탐색 시간) + rotational delay + transfer time 으로 계산할 수 있는데, 이 중에서 seek time(head를 움직이는 시간)이 가장 크다.

현재 컴퓨터 환경은 대부분 다중 프로그래밍 환경이다. 그러므로 여러 프로세스가 메인 메모리에서 실행 중에 있는데, 이러한 여러 프로세스가 동시에 디스크를 읽으려는 요청이 올 수 있다. 이와 같은 요청이 오면 디스크 역시 CPU와 같이 디스크 큐(dist queue)에서 요청을 저장해두고 이를 처리해야 한다.

여기서 컴퓨터의 성능을 위해 여러 요청들을 효율적으로 처리해야 한다. 디스크를 읽는 시간은 매우 오래 걸리는 작업이고 특히 탐색 시간이 오래걸리므로 최대한 이 시간을 줄이는 것이 중요하다. 이러한 방법들을 디스크 스케줄링 알고리즘이라 한다.

1.1 FCFS(First-Come First-Served)

이 방법은 어느 스케줄링 알고리즘에서도 존재하는 가장 간단하고 가장 공평한 방법이다. 바로 예제를 살펴보자.

1.1.1 예제

200 cylinder dist: 0, 1, 2, ..., 199
Disk queue: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
현재 헤드가 가리키는 실린더(cylinder) 위치: 53

예제를 그림으로 나타내면 위 그림과 같다. 가로축은 0번부터 199번까지 실린더의 위치를 나타낸다. 여기서 파란색 선이 dist queue를 FCFS 방법으로 처리한 결과이다.

• 헤드가 움직인 총 거리
  • = (98 - 53) + (183 - 98) + (183 - 37) + (122 - 37) + (122 - 14) + (124 - 14) + (124 - 65) + (67 - 65) = 640 cylinders

위 그림의 결과를 본 것처럼 큐에 들어온 순서가 큰 값, 작은 값이 반복한다면 헤드가 움직이는 거리가 매우 커짐을 알 수 있다.

1.2 SSTF(Shortest-Seek-Time-First)

SSTF 스케줄링 알고리즘은 가장 짧은 탐색 시간을 먼저 선택하는 것이다. 다시 말하면 현재 헤드가 다음 요청을 처리하기 위해 움직여야 하는 거리가 가장 짧은 것을 선택하는 것이다.

1.2.1 예제

200 cylinder dist: 0, 1, 2, ..., 199
Disk queue: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
현재 헤드가 가리키는 실린더(cylinder) 위치: 53

위 예제는 FCFS 스케줄링에서 본 예제와 같은 것이다. 처음 헤드 위치 53을 시작으로 dist queue에 있는 실린더 번호 중 53과 가장 가까운 65번 실린더를 선택한다. 65번에서는 가장 가까운 67번을 선택하고 같은 과정을 반복한다.

• 헤드가 움직인 총 거리
  • = (65 - 53) + (67 - 65) + (67 - 37) + (37 - 14) + (98 - 14) + (122 - 98) + (124 - 122) + (183 - 124) = 236 cylinders

SSTF 스케줄링 알고리즘의 결과는 위 예제에서 FCFS 스케줄링보다 훨씬 적은 수의 실린더를 움직이는 것을 볼 수 있다. 하지만 SSTF 스케줄링의 큰 단점은 기아(starvation)가 발생할 수 있다. dist queue에는 지속적으로 새로운 프로세스의 요청이 들어오기 때문에 헤드와 멀리 떨어져 있는 실린더는 끝내 수행하지 못하는 현상이 발생하는데, 이를 starvation이라고 한다.

그리고 SSTF 스케줄링이 현재와 가장 가까운 실린더를 선택한다고 해서 최적의 알고리즘은 아니다. 위 예제에서도 가장 처음 위치인 53번 실린더에서 65번이 아닌 37번으로 이동한 후에 SSTF 알고리즘을 수행하면 208 cylinders 가 나온다.그리디가 아니다

1.3 Scan

Scan 스케줄링은 말그대로 헤드가 지속적으로 디스크를 앞뒤로 검사하는 것이다. 그래서 헤드가 앞으로 스캔할 때(번호가 작은 실린더 방향)와 뒤로 스캔할 때(번호가 큰 실린더 방향) 선택하는 실린더가 서로 다르다. 즉 관성을 고려하여 한방향으로 쭉 가다가 끝이면 반대 방향으로 돈다.

1.3.1 예제

200 cylinder dist: 0, 1, 2, ..., 199
Disk queue: 98, 183, 37, 122, 14, 124, 65, 67
현재 헤드가 가리키는 실린더(cylinder) 위치: 53
스캔 방향: 0번 방향으로 움직임(번호가 작은 실린더 방향)

위 결과에서 볼 수 있듯이 스캔 방향이 0번 실린더 방향이므로 53번에서 작은 번호의 실린더로 향한 후에 큰 번호 실린더로 움직인 것을 볼 수 있다.

• 헤드가 움직인 총 거리
  • = (53 - 37) + (37 - 14) + (14 - 0) + (65 - 0) + (67 - 65) + (98 - 67) + (122 - 98) + (124 - 122) + (183 - 124) = 236 cylinders

여기서 한 가지 생각해 볼 점은 일반적으로 프로세스들이 디스크에 요청할 때 그 위치를 종합해보면 실린더에 골고루 퍼져있다. 그러므로 Scan 스케줄링 알고리즘처럼 앞뒤로 움직이는 것이아니라 처음부터 한 방향으로 끝까지 움직이고 다시 처음으로 되돌아가서 같은 방향으로 끝까지 움직이는 것이 더욱 효과적이다.

이러한 아이디어에서 나온 것이 Circular Scan 스케줄링 알고리즘이다.

1.4 C-Scan

이 방식은 위에서 말한 Circular Scan 스케줄링 알고리즘이다. 즉 한 방향으로 계속 움직이는 것이다. Scan 방식은 끝에 다다랐을 때 반대방향으로 가는데, 굳이 그럴 필요가 없다. 물론 오른쪽에서 왼쪽 끝으로 갈 때 한바퀴를 돌기 때문에 움직이는 거리는 더 길어질 수 있지만 다시 처음 위치로 되돌아갈 때는 데이터를 읽지 않으므로 더 빠른 속도로 움직일 수 있다. (그냥 모터로 슝 긁으면 된다.)

1.5 Look

이 알고리즘은 위 Scan 스케줄링 예제에서 0번 실린더가 존재하지 않지만 0번까지 가는 모습을 보았다. (찍턴하기 위해서) 이러한 비효율적인 움직임을 없애기 위해 존재하는 실린더의 최소와 최대 범위만 움직이는 알고리즘을 Look 스케줄링 알고리즘이라고 한다. 하지만 이 범위를 알기 위해서 미리 큐를 검사해야한다. (어디가 가장 근접한 끝인지 알아야 하기 때문)

1.6 C-Look

C-Look은 Circular Look 을 말한다. Look은 위에서 Scan 스케줄링이 0번 부터 끝 실린더까지 움직이지 않고 존재하는 실린더의 최소에서 최대 범위를 움직인다고 하였는데, C-Look은 이 범위에서 C-Scan과 같이 한 방향으로만 움직이는 것을 말한다. 즉, 최대 실린더에서 최소 실린더 방향으로 움직인다고 할 때 최소 범위에 도달하면 다시 최대 범위로 되돌아가서 같은 방향으로 움직인다.

1.7 Elevator Algorithm

Elevator Algorithm은 Scan과 파생되어 나온 알고리즘(C-scan, Look, C-Look)을 부르는 다른 용어이다. 위 Scan 스케줄링 알고리즘 예제 그림을 90도로 회전하면 엘리베이터의 모습과 유사하여 붙여진 이름이다.

Reference

KOCW 양희재 교수님 - 운영체제 양희재 교수님 블로그(시험 기출 문제)
codemcd 님의 정리글
세마포 사진
Operating System Concepts, 9th Edition - Abraham Silberschatz