스레드(Thread) 심화: 스케줄링 전략과 타이밍

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스레드는 프로세스(process) 내에서 실제로 작업을 수행하는 실행 단위다. 이 글에서는 스레드 스케줄링 전략과 타이밍, 현대 OS의 스케줄러를 다룬다.

1. 스레드 스케줄링 전략 (Scheduling Policy)

어떤 스레드를 CPU에 태울지 고를 때 쓰는 “기준”이다.

전략 동작 특징
FIFO (선입선출) 먼저 Ready가 된 스레드가 먼저 CPU 사용 단순·공정하지만, 긴 작업이 앞서면 짧은 작업이 오래 대기
Round Robin 각 스레드에 시간 조각(quantum)을 주고 순서대로 순환 한 번에 오래 점유 못함. 반응성 좋은 시스템(서버·게임)에 유리
Priority Scheduling 우선순위가 높은 스레드를 먼저 실행 Priority Inversion(우선순위 반전) 문제 → Mutex 상속 등으로 대응
Shortest Job First (SJF) 실행 시간이 짧은 작업을 먼저 실행 평균 대기 시간은 최적이나, 실행 시간을 미리 알아야 해 구현이 어려움
Multilevel Queue 스레드를 여러 큐(인터랙티브·배치 등)로 나눠 큐마다 다른 정책 적용 큐 간에도 우선순위 부여 가능

Priority Inversion(우선순위 반전): 낮은 우선순위 스레드가 락을 쥔 채로, 높은 우선순위 스레드가 그 락을 기다리느라 더 낮은 우선순위 스레드보다 늦게 실행되는 역전 현상.

2. 스케줄링 타이밍 (Scheduling Timing)

“언제 스레드를 바꿀까”에 대한 이야기다.

방식 동작 장단점
선점형 (Preemptive) 실행 중이어도 OS가 강제로 CPU를 뺏어 다른 스레드에 넘김 (예: quantum 소진 시 강제 전환) 응답성 좋음, 구현 복잡. 리눅스·윈도우 등 대부분 채택
비선점형 (Non-Preemptive) 스레드가 자발적으로 양보(yield)하거나 블로킹·종료할 때만 전환 구현 간단, 한 스레드가 CPU를 계속 점유하면 시스템 전체가 멈출 수 있음

3. ULT vs KLT 스케줄링 차이

항목 User-Level Thread (ULT) Kernel-Level Thread (KLT)
스케줄링 주체 사용자 레벨 라이브러리 운영체제 커널
컨텍스트 스위칭 비용 작음 (빠름) 큼 (느릴 수 있음)
블로킹 처리 하나가 블록되면 전체 블록 개별적으로 블록 처리 가능
예시 Green Thread, Lightweight Thread pthreads(Linux), Windows threads

ULT는 “한 스레드가 블록되면 프로세스 전체가 블록”되는 문제가 있어, 실제 상용 시스템에서는 KLT 기반 스케줄링을 쓰는 경우가 많다.

4. 실전에서 스케줄링은 언제 발동될까?

운영체제 커널은 보통 다음 상황에서 스케줄링을 발동한다.

  • 스레드가 Sleep()이나 Wait()을 호출해 블록될 때
  • 스레드가 타임슬라이스(time slice)를 다 썼을 때
  • 스레드가 종료되었을 때
  • 인터럽트가 발생했을 때 (예: 타이머 인터럽트)
  • 더 높은 우선순위의 스레드가 등장했을 때

타이머 인터럽트로 주기적으로 선점(preemption)을 유발하는 것이 선점형 스케줄링 시스템의 핵심이다.

5. 현대 OS의 스케줄링

OS 기본 스케줄링 정책
Linux Completely Fair Scheduler (CFS)
Windows Multilevel Feedback Queue
macOS Hybrid (Priority + Multilevel)
  • Linux CFS: “모든 스레드가 공평하게 CPU를 나눠 갖자”는 원칙의 세련된 알고리즘
  • Windows: 인터랙티브 작업에 우선순위를 두는 편
  • macOS: 우선순위와 타임 슬라이스를 조합한 하이브리드 방식

CFS(Completely Fair Scheduler) 간단 설명

Linux의 기본 스케줄러 CFS는 다음과 같이 동작한다.

  1. 각 스레드가 CPU를 쓴 “시간”을 추적한다
  2. 가장 적게 CPU를 쓴 스레드에게 CPU를 넘긴다
  3. 실행 가능한 스레드들을 Red-Black Tree로 정렬해 관리한다
  4. 덕분에 O(log N) 시간에 가장 공정한 스레드를 찾아낼 수 있다

핵심은 “CPU를 공평하게 쓸 기회를 준다”는 것이다.

6. 요약

  • 스레드 스케줄링은 “누구를 언제 CPU에 태울지” 를 결정하는 것이다
  • 기본 개념은 스케줄링 전략(FIFO, Round Robin, Priority 등) + 스케줄링 타이밍(선점형/비선점형)으로 나뉜다
  • 현대 OS는 거의 선점형 + 우선순위 + 공정성을 조합한 복합 방식을 쓴다

© 2022 JeongHwan Yun.