C 언어로 프로세스 스케줄링 정책 변경하기: sched_setscheduler 사용법

C 언어에서 프로세스의 스케줄링 정책을 변경하는 것은 시스템 성능과 응답성을 최적화하는 데 중요한 역할을 합니다. sched_setscheduler 함수는 프로세스의 스케줄링 방식을 제어하여 다양한 운영 체제 수준의 프로세스 관리 요구를 충족할 수 있는 도구를 제공합니다. 이 기사는 sched_setscheduler 함수의 사용법과 관련 개념을 체계적으로 설명합니다.

프로세스 스케줄링 개념

프로세스 스케줄링은 운영 체제가 시스템 리소스를 효율적으로 분배하기 위해 프로세스를 관리하는 메커니즘입니다.
운영 체제는 여러 프로세스가 CPU와 같은 제한된 자원을 공유해야 하는 환경에서 각 프로세스의 실행 순서를 결정합니다.

스케줄링의 목표

공정성(Fairness): 모든 프로세스가 자원을 공평하게 사용할 수 있도록 보장합니다.
효율성(Efficiency): 시스템 자원을 최대한 활용합니다.
반응성(Responsiveness): 사용자 응답 시간을 최소화합니다.
우선순위(Priority): 중요한 작업을 먼저 처리합니다.

스케줄링의 유형

선점형 스케줄링(Preemptive Scheduling): 현재 실행 중인 프로세스가 중단되고 우선순위가 높은 프로세스가 실행됩니다.
비선점형 스케줄링(Non-Preemptive Scheduling): 현재 실행 중인 프로세스가 종료되기 전까지 다른 프로세스가 CPU를 차지하지 못합니다.

주요 스케줄링 정책

운영 체제에서 사용되는 스케줄링 정책에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

FIFO(First-In-First-Out): 먼저 도착한 프로세스를 먼저 실행합니다.
Round Robin: 프로세스에 고정된 시간 간격(타임 슬라이스)을 할당합니다.
실시간 스케줄링: 작업의 기한을 엄격히 준수해야 하는 경우에 사용됩니다.

프로세스 스케줄링의 개념을 이해하면, sched_setscheduler와 같은 함수를 통해 시스템의 특정 요구 사항을 충족할 수 있는 커스텀 정책을 구현할 수 있습니다.

`sched_setscheduler` 함수 개요

sched_setscheduler 함수는 Linux 운영 체제에서 프로세스의 스케줄링 정책과 우선순위를 설정하는 데 사용됩니다. 이 함수는 특정 프로세스의 스케줄링 동작을 변경하여 실시간 프로세스나 기타 우선순위 기반 프로세스 관리에 유용합니다.

함수 시그니처

#include <sched.h>

int sched_setscheduler(pid_t pid, int policy, const struct sched_param *param);

매개변수 설명

pid:

스케줄링 정책을 변경할 프로세스의 ID입니다.
pid가 0인 경우, 호출한 프로세스의 정책이 변경됩니다.

policy:

새로운 스케줄링 정책을 지정합니다.
주요 정책 옵션:
- SCHED_FIFO: 선입선출 방식의 실시간 스케줄링.
- SCHED_RR: 라운드 로빈 방식의 실시간 스케줄링.
- SCHED_OTHER: 기본 비실시간 정책.
- SCHED_BATCH: 배치 작업을 위한 정책.
- SCHED_IDLE: 유휴 상태에서 실행되는 정책.

param:

struct sched_param 타입의 포인터로, 스케줄링 정책에 필요한 우선순위 정보를 포함합니다.

반환값

성공: 0
실패: -1을 반환하며, errno가 적절한 오류를 나타냅니다.

사용 예시

스케줄링 정책을 변경하기 전에, 프로세스의 요구사항과 정책의 특성을 충분히 이해해야 합니다. 이 함수는 강력하지만, 잘못 사용하면 시스템 안정성을 해칠 수 있습니다.

스케줄링 정책의 종류

Linux 운영 체제는 다양한 스케줄링 정책을 제공하여 프로세스의 요구사항에 따라 유연한 자원 관리를 지원합니다. 각 정책은 특정한 실행 시나리오에 최적화되어 있으며, sched_setscheduler를 통해 설정할 수 있습니다.

1. SCHED_OTHER

특징:
기본 정책으로, 비실시간 프로세스를 위한 일반 스케줄링 방식입니다.
공정성을 강조하며, 우선순위가 아닌 가상 런타임(Virtual Runtime)을 기반으로 실행 순서를 결정합니다.
사용 사례:
대부분의 일반 사용자 프로세스.

2. SCHED_FIFO

특징:
선입선출(First-In-First-Out) 방식의 실시간 스케줄링 정책입니다.
높은 우선순위를 가진 프로세스가 실행을 중단하지 않는 한 CPU를 독점할 수 있습니다.
사용 사례:
실시간 작업, 일정한 주기를 요구하는 프로세스.

3. SCHED_RR

특징:
라운드 로빈 방식의 실시간 스케줄링 정책입니다.
동일한 우선순위의 프로세스가 타임 슬라이스(Time Slice)를 기반으로 CPU를 교대로 사용합니다.
사용 사례:
짧은 실행 시간을 가진 실시간 프로세스.

4. SCHED_BATCH

특징:
백그라운드 작업을 위해 설계된 비실시간 정책입니다.
CPU 점유 시간이 많지만 긴 대기 시간이 허용되는 작업에 적합합니다.
사용 사례:
데이터 처리, 대규모 연산 작업.

5. SCHED_IDLE

특징:
유휴 상태에서 실행되는 정책으로, 다른 모든 프로세스가 실행되지 않을 때 실행됩니다.
사용 사례:
시스템의 여유 시간을 활용하는 작업.

정책 비교

정책	실시간 여부	우선순위 설정	주요 특징	사용 사례
`SCHED_OTHER`	아니오	불가능	기본 정책, 공정성 기반	일반 사용자 프로세스
`SCHED_FIFO`	예	가능	선입선출 방식, 높은 우선순위 프로세스가 CPU 독점	실시간 작업
`SCHED_RR`	예	가능	라운드 로빈 방식, 시간 분할 처리	짧은 실행 실시간 프로세스
`SCHED_BATCH`	아니오	불가능	CPU 점유율이 높고 대기 시간이 긴 작업	백그라운드 연산 작업
`SCHED_IDLE`	아니오	불가능	시스템 유휴 시간에만 실행	비중요 작업 또는 최하위 우선순위 작업

스케줄링 정책을 적절히 선택함으로써 시스템 성능과 프로세스 효율성을 극대화할 수 있습니다.

우선순위와 실시간 정책

스케줄링 정책과 우선순위는 프로세스의 실행 순서를 결정하는 중요한 요소입니다. 특히 실시간 스케줄링 정책(SCHED_FIFO, SCHED_RR)은 프로세스의 우선순위를 기반으로 CPU 점유를 관리합니다.

우선순위의 범위

Linux에서는 프로세스 우선순위가 두 가지 레벨로 나뉩니다.

실시간 우선순위:
- 값의 범위는 1(낮음)부터 99(높음)까지입니다.
- sched_setscheduler로 설정 가능하며, 실시간 정책에서만 유효합니다.
비실시간 우선순위:
- nice 값으로 관리되며, 범위는 -20(높음)에서 19(낮음)까지입니다.
- SCHED_OTHER, SCHED_BATCH, SCHED_IDLE 정책에서 사용됩니다.

실시간 정책의 특징

SCHED_FIFO:

우선순위가 높은 프로세스가 CPU를 독점합니다.
동일한 우선순위를 가진 프로세스가 없는 한, 프로세스는 스스로 종료하거나 다른 정책으로 전환되지 않는 한 계속 실행됩니다.

SCHED_RR:

라운드 로빈 방식으로 동일한 우선순위를 가진 프로세스가 CPU를 교대로 사용합니다.
각 프로세스는 타임 슬라이스(Time Slice)만큼 실행된 후 대기 상태로 전환됩니다.

우선순위 설정 방법

sched_setscheduler를 사용한 실시간 우선순위 설정:

   struct sched_param param;
   param.sched_priority = 50; // 우선순위 설정

   if (sched_setscheduler(pid, SCHED_FIFO, &param) == -1) {
       perror("sched_setscheduler 실패");
   }

nice 명령을 사용한 비실시간 우선순위 설정:

   nice -n 10 ./program

-n 옵션 뒤에 우선순위를 지정합니다.

실시간 우선순위의 주의사항

높은 우선순위를 가진 실시간 프로세스는 시스템의 다른 프로세스 실행을 차단할 수 있습니다.
잘못된 설정은 시스템이 멈추거나 응답하지 않을 수 있으므로, 테스트 환경에서 먼저 실행하고 주의 깊게 조정해야 합니다.

우선순위와 스케줄링 정책을 적절히 조합하면 프로세스 성능을 향상시키고 시스템 자원을 효율적으로 사용할 수 있습니다.

코드 예제: 정책 변경

sched_setscheduler를 사용하여 특정 프로세스의 스케줄링 정책을 변경하는 실용적인 코드 예제를 살펴보겠습니다. 이 코드는 정책 변경과 우선순위 설정의 과정을 단계별로 설명합니다.

예제 코드: 스케줄링 정책 변경

아래 코드는 sched_setscheduler를 사용하여 프로세스의 스케줄링 정책을 SCHED_FIFO로 변경하고, 우선순위를 설정하는 방법을 보여줍니다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sched.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = 0; // 현재 프로세스를 대상으로 설정
    struct sched_param param;

    // 설정할 우선순위
    param.sched_priority = 50;

    // 스케줄링 정책을 SCHED_FIFO로 설정
    if (sched_setscheduler(pid, SCHED_FIFO, &param) == -1) {
        perror("sched_setscheduler 실패");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("스케줄링 정책이 SCHED_FIFO로 변경되었습니다.\n");
    printf("설정된 우선순위: %d\n", param.sched_priority);

    // CPU 집약적인 작업 수행 (예시)
    while (1) {
        printf("실행 중...\n");
        sleep(1);
    }

    return 0;
}

코드 설명

pid:

0으로 설정하여 현재 실행 중인 프로세스의 정책을 변경합니다.
특정 프로세스의 정책을 변경하려면 해당 프로세스의 PID를 전달합니다.

struct sched_param:

sched_priority 필드를 사용해 우선순위를 설정합니다.
실시간 스케줄링(SCHED_FIFO, SCHED_RR) 정책에서만 우선순위가 유효합니다.

sched_setscheduler 호출:

정책을 SCHED_FIFO로 설정합니다.
호출 실패 시 오류 메시지를 출력하고 프로그램을 종료합니다.

실행 결과

성공적으로 실행되면 프로세스의 스케줄링 정책이 SCHED_FIFO로 변경되고, 우선순위 50이 설정됩니다.
콘솔에 “실행 중…” 메시지가 1초 간격으로 출력됩니다.

주의사항

권한 문제:

실시간 스케줄링 정책(SCHED_FIFO, SCHED_RR)은 루트 권한이 필요합니다.
실행 시 sudo를 사용해야 합니다.

시스템 안정성:

실시간 프로세스는 CPU를 독점할 수 있으므로 시스템 응답이 멈출 수 있습니다.
테스트 환경에서 신중히 사용해야 합니다.

이 코드를 통해 sched_setscheduler의 실제 사용법을 익히고, 다양한 스케줄링 정책을 실험하며 시스템 성능을 최적화할 수 있습니다.

오류 처리 및 디버깅

sched_setscheduler 함수는 프로세스 스케줄링 정책을 제어하는 강력한 도구이지만, 잘못된 사용이나 환경 설정 문제로 인해 오류가 발생할 수 있습니다. 이를 적절히 처리하고 디버깅하는 방법을 살펴보겠습니다.

오류 발생 조건

sched_setscheduler 함수는 실패 시 -1을 반환하며, errno를 통해 오류의 원인을 파악할 수 있습니다. 주요 오류 원인은 다음과 같습니다.

EINVAL:

지원되지 않는 스케줄링 정책이나 잘못된 우선순위 값을 전달했을 때 발생합니다.
해결책: 올바른 policy와 sched_priority 값을 확인하십시오.

EPERM:

호출한 프로세스가 스케줄링 정책을 변경할 권한이 없을 때 발생합니다.
해결책: 루트 권한으로 실행하거나, 사용자 권한을 확인하십시오.

ESRCH:

지정한 pid에 해당하는 프로세스가 존재하지 않을 때 발생합니다.
해결책: 올바른 프로세스 ID를 확인하십시오.

오류 처리 코드 예제

아래는 sched_setscheduler 호출 시 발생할 수 있는 오류를 처리하는 방법을 보여줍니다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sched.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    pid_t pid = 0; // 현재 프로세스
    struct sched_param param;

    // 우선순위 설정
    param.sched_priority = 50;

    // 스케줄링 정책 설정
    if (sched_setscheduler(pid, SCHED_FIFO, &param) == -1) {
        switch (errno) {
            case EINVAL:
                fprintf(stderr, "오류: 잘못된 정책 또는 우선순위 값\n");
                break;
            case EPERM:
                fprintf(stderr, "오류: 루트 권한이 필요합니다\n");
                break;
            case ESRCH:
                fprintf(stderr, "오류: 프로세스를 찾을 수 없습니다\n");
                break;
            default:
                fprintf(stderr, "알 수 없는 오류: %s\n", strerror(errno));
        }
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("스케줄링 정책이 성공적으로 설정되었습니다.\n");
    return 0;
}

디버깅 방법

strace 활용:

시스템 호출을 추적하여 오류 원인을 파악할 수 있습니다.
사용 예:
bash strace -e sched_setscheduler ./program

우선순위 및 정책 유효성 확인:

/proc/<pid>/sched 파일을 확인하여 프로세스의 현재 스케줄링 정보를 검토합니다.

루트 권한 확인:

실시간 정책 설정은 루트 권한이 필요하므로, sudo 명령을 사용하거나 실행 권한을 확인합니다.

주의사항

잘못된 스케줄링 설정은 시스템 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.
테스트 환경에서 충분히 검증한 후 실제 시스템에 적용하는 것이 중요합니다.

오류 처리와 디버깅 과정을 통해 sched_setscheduler 함수 사용의 신뢰성을 높이고, 시스템의 안정성을 유지할 수 있습니다.

요약

이 기사에서는 Linux에서 sched_setscheduler 함수를 사용하여 프로세스의 스케줄링 정책과 우선순위를 설정하는 방법을 다뤘습니다. 프로세스 스케줄링의 개념, 주요 정책의 특징, 실용적인 코드 예제, 그리고 오류 처리와 디버깅 방법을 상세히 설명했습니다. 적절한 스케줄링 정책과 우선순위 설정을 통해 시스템의 성능과 응답성을 최적화할 수 있습니다. sched_setscheduler를 신중히 활용하여 안정적인 프로세스 관리 환경을 구축할 수 있습니다.