본문내용
1. 디스크 스케줄링과 파일 시스템
1.1. 디스크 스케줄링의 기본 목표와 중요성
디스크 스케줄링의 기본 목표는 헤드 이동의 최소화, 즉 탐색 시간의 최소화를 실현하는 데 있다. 또한 서비스 요청 응답 시간을 최소화하면서 응답 시간의 편차를 최소화를 목적으로 한다. 현재의 컴퓨터와 시스템은 주로 디스크 시스템 중심의 처리를 수행한다. 시스템 프로그램과 사용자 프로그램 등과 같은 상당수의 응용 프로그램은 주기억장치에 적재되기까지 디스크에 저장된다. 따라서 다중 프로그래밍 컴퓨터 시스템에서 디스크와 같은 보조기억장치의 적절한 운용은 매우 중요한 의미를 가진다."
1.2. 다중 프로그래밍과 디스크 스케줄링의 필요성
다중 프로그래밍과 디스크 스케줄링의 필요성은 다음과 같다.
다중 프로그래밍 시스템에서는 여러 프로세스가 동시에 실행되며, 이로 인해 다양한 프로세스들이 디스크 접근을 요구하게 된다. 디스크 스케줄링은 이러한 상황에서 프로세스들의 디스크 접근 요청을 효과적으로 처리하기 위해 필수적이다.
다중 프로그래밍 시스템에서의 모든 프로세스들은 자신에 관련된 작업이 실제 디스크가 처리할 수 있는 능력보다 더 빨리 처리되기를 요구한다. 디스크 스케줄링을 통해 탐색시간을 최소화함으로써 다중 프로그래밍의 프로세스들이 처리 시간을 최소화시킬 수 있다.
예를 들어, 일괄처리 시스템에서는 프로세스가 I/O 요청에 의해 유휴 상태가 되었을 때 CPU가 동작하지 않는데, 이 경우 시간적인 낭비가 심하다. 이를 해결하기 위해 다중 프로그래밍이 도입되었고, 이에 따른 디스크 스케줄링의 필요성이 증대되었다.
한 사용자 프로그램이 CPU를 사용하다가 입출력 장치 등 CPU를 필요로 하지 않는 동안 다른 사용자 프로그램이 그 시간에 CPU를 사용하여 CPU의 효율을 극대화시킬 수 있다. 이를 위해서는 디스크 스케줄링 기법이 필요하다.
따라서 다중 프로그래밍 환경에서 효율적인 자원 활용을 위해 디스크 스케줄링이 필수적이며, 이를 통해 프로세스들의 처리 시간을 최소화하고 시스템 전체의 성능을 향상시킬 수 있다.
1.3. SSTF 스케줄링의 트랙 선호 이유
SSTF 스케줄링은 현재 헤드의 위치에 가장 가까운 요청을 먼저 서비스하는 기법이다. SSTF 스케줄링이 안쪽이나 바깥쪽의 트랙보다는 가운데 트랙을 더 선호하게 되는 이유는 응답 시간의 편차를 줄이기 위해서다.
안쪽이나 바깥쪽의 트랙들은 서비스 횟수가 적어지기 때문에 응답 시간의 편차가 크게 발생할 수 있다. 반면에 가운데 트랙은 상대적으로 더 많은 서비스를 받게 되므로 응답 시간의 편차를 줄일 수 있다. 이를 통해 SSTF 스케줄링은 전체적인 응답 시간의 편차를 최소화할 수 있다.""
1.4. 다양한 디스크 스케줄링 알고리즘 비교
다양한 디스크 스케줄링 알고리즘의 주요 특징과 비교는 다음과 같다.
FCFS(First-Come, First-Served) 스케줄링은 가장 단순한 형태의 디스크 스케줄링 기법으로, 먼저 도착한 요청을 우선적으로 처리한다. FCFS는 구현이 간단하지만, 요청된 서비스 순서가 순차적이지 않을 경우 다른 알고리즘에 비해 실행 효율이 낮다는 단점이 있다.
SSTF(Shortest-Seek-Time-First) 스케줄링은 현재 디스크 헤드의 위치에서 가장 가까운 트랙의 요청을 먼저 처리한다. SSTF는 대기 시간을 최소화하고 응답 시간 편차를 줄일 수 있지만, 트랙 끝 부분의 요청이 무한정 늦어질 수 있는 기아 현상이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
SCAN 스케줄링은 디스크 헤드를 한 방향으로 이동시키면서 요청이 있는 트랙을 순서대로 처리한다. SCAN은 SSTF에 비해 공평성이 높으며 기아 현상을 해결할 수 있지만, 요청이 한쪽으로 편중되어 있을 경우 응답 시간 편차가 크다는 단점이 있다.
C-SCAN(Circular SCAN) 스케줄링은 SCAN과 유사하지만, 헤드가 한 방향으로만 이동하며 한쪽 끝에 도달하면 다시 초기 위치로 돌아온다. C-SCAN은 SCAN에 비해 응답 시간 편차가 작고 공평성이 높으며, 처리량 또한 향상된다.
이와 같이 디스크 스케줄링 알고리즘은 응답 시간, 공평성, 처리량 등의 측면에서 각각의 장단점을 가지고 있다. 실제 시스템에서는 이러한 특성들을 고려하여 적절한 알고리즘을 선택해야 한다.
1.5. 디스크 스케줄링 방법의 공정성 문제와 해결
FCFS를 제외한 모든 디스크 스케줄링 방법은 완전히 공정하지는 못하며, 기아상태가 발생할 수 있다. SSTF 스케줄링 기법은 여러 요청 중 하나의 요청이 맨 끝에 있다면 이론적으로 각각에 가까운 것이 계속적으로 요청될 수 있으므로 맨 끝에 트랙 요청은 무한히 기다릴 수도 있기 때문이다. SCAN, LOOK, C-SAN, C-LOOK 스케줄링 기법은 헤드가 진행도중 새롭게 도착하는 요청도 함께 서비스하면서, 디스크 안팎을 계속하여 왕복하기 때문에 안팎의 가장 자리에 위치하는 트랙은 그 외의 트랙보다 더 적은 서비스를 받을 수도 있다는 문제점이 있다.
이러한 기아현상과 공평성 문제를 해결하기 위해서는 SSTF 방법은 본질적으로 기아상태를 해결할 수 없으며, SCAN이나 LOOK 방법은 가장 안쪽과 바깥쪽 트랙의 차별 대우를 개선되고 대기 시간의 편차가 매우 작은 C-SAN, C-LOOK 스케줄링을 이용하여 기아 상태를 개선할 수 있다. 또한 시분할 환경에서는 여러 사용자들이 컴퓨터 자원에 대한 짧은 시간 단위로 공유하는 환경이기 때문에 여러 사용자에서 공정하게 자원 공유를 보장하는 것이 매우 중요하다.
SCAN이 SSTF보다 응답 시간의 편차가 적은 이유는 SSTF는 안쪽이나 바깥쪽의 트랙보다는 가운데 트랙이 더 많은 서비스를 받을 수 있기 때문에 응답시간에 큰 편차가 생길 수 있으나 이에 대한 단점을 보안하는 스케줄링 기법이 SCAN이기 때문이다. SCAN은 대기 큐의 동적인 특성을 효율적으로 반영한 것으로서, 기본적으로 SSTF와 같은 방법으로 운영되지만 차이점은 '진행 방향'상의 가장 짧은 거리에 있는 요청을 서비스하는 기법이다.
한편 C-SCAN(Circular SCAN)은 SCAN처럼 한쪽 끝에 다다르면 반대 방향으로 헤드를 이동하는 것이 아니라 다시 처음 시작 방향으로 이동하여 서비스하는 기법으로 SCAN에서의 불공정한 대기 시간을 좀 더 균등화하기 위해 변형한 방식이다. 따라서 C-SCAN이 SCAN보다 더 공평한데, SCAN은 안쪽과 바깥쪽 트랙의 차별 대우가 있지만 C-SCAN은 이를 개선하여 대기 시간의 편차가 매우 작기 때문이다.
디스크 스케줄링의 "공평함(fairness)"은 다중 프로그래밍 시스템에서 매우 중요하다. 모든 프로세스들이 기아 현상 없이 언제가는 서비스를 제공 받아야 하며, 그렇지 않으면 시스템 전체의 성능에 큰 영향을 미치기 때문이다. 공평성 판단 기준으로는 각 요청 간의 응답 시간 편차, 요청 간 대기 시간의 균등성 등이 있다.
전반적으로 볼 때, 부하가 적은 상태에서는 SCAN 기법이 가장 좋은 결과를 보이지만, 부하가 많은 경우에는 C-SCAN 방법이 가장 좋은 결과를 가진다. 이는 SCAN 기법이 가장 안쪽과 바깥쪽 트랙의 차별 대우를 최소화하고 응답 기간을 편차를 줄이는 특성 때문이다.
1.6. SCAN과 SSTF의 응답 시간 편차 차이
SCAN은 SSTF에 비해 응답 시간의 편차가 적다. SSTF는 안쪽이나 바깥쪽의 트랙보다는 가운데 트랙이 더 많은 서비스를 받을 수 있기 때문에 응답시간에 큰 편차가 생길 수 있다. 반면 SCAN 기법은 대기 큐의 동적인 특성을 효율적으로 반영한 것으로, SSTF와 같은 방법으로 운영되지만 "진행 방향"상의 가장 짧은 거리에 있는 요청을 서비스하므로 응답 시간 편차가 SSTF보다 작다. SCAN 기법은 안쪽과 바깥쪽 트랙에 대한 차별을 줄일 수 있어 SSTF에 비해 더 공평한 성능을 제공한다.
1.7. C-SCAN과 SCAN의 처리량 비교
C-SCAN(Circular SCAN)은 한쪽 방향으로 헤드를 이동하면서 '진행 방향'상의 가장 짧은 거리에 있는 요청을 처리하지만, SCAN처럼 한쪽 끝에 다다르면 반대 방향으로 헤드를 이동하는 것이 아니라 다시 처음 시작 방향으로 이동하여 서비스하는 기법으로 SCAN에서의 불공정한 대기 시간을 좀 더 균등화하기 위해 변형한 방식이다. SCAN은 한쪽 끝에 다다르면 반대 방향으로 헤드를 이동하여 서비스하므로 SCAN에 비해 C-SCAN의 처리량이 더 높다고 볼 수 있다. C-SCAN의 경우 한 방향으로만 이동하므로 헤드 이동 거리가 감소하여 다른 요청들을 더 빨리 처리할 수 있게 된다. 즉, C-SCAN은 SCAN 기법에 비해 전체적인 처리량이 높다고 할 수 있다.
1.8. SCAN과 SSTF의 공평성 비교, C-SCAN과 SCAN의 공평성 비교
SCAN이 SSTF보다 더 공평한 이유는 SSTF 스케줄링 기법은 여러 요청 중 하나의 요청이 맨 끝에 있다면 이론적으로 각각에 가까운 것이 계속적으로 요청될 수 있으므로 맨 끝에 트랙 요청은 무한히 기다릴 수도 있기 때문이다. 반면에 SCAN은 SSTF 방법의 헤드가 높은 편차를 갖고 움직이는 단점이 보완되고 기아현상이 발생되지 않아 SSTF보다 공평하다.
C-SCAN이 SCAN보다 더 공평한 이유는 C-SCAN(Circular SCAN)은 SCAN처럼 한쪽 끝에 다다르면 반대 방향으로 헤드를 이동하는 것이 아니라 다시 처음 시작 방향으로 이동하여 서비스하는 기법으로 SCAN에서의 불공정한 대기 시간을 좀 더 균등화...
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