프로세스 관리

프로세스는 실행중인 프로그램.

Process is a program in execution

•

프로세스의 문맥(context)

◦

특정 시점을 놓고 봤을 때 이 프로세스가 어디까지 수행을 했고, 무엇을 해야하나를 알려주는 것

◦

PC가 어디를 가르키고 있는가 코드의 어디부분까지 실행했는가

◦

프로세스 메모리에 어떤 내용을 담고 있는가 스택에 어디까지, 무엇을 쌓았는가

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◦

CPU 와 관련된 하드웨어 문맥

▪

프로세스는 CPU 를 잡고 매순간 instruction 을 실행

▪

문맥을 알기 위해서 register 에 어떤 값이 들어가있고, PC 는 어디를 가르키고 있는지 확인

◦

메모리와 관련된 문맥

▪

code, data, stack 에 어떤 내용이 들어가있는가

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커널 자료 구조와 관련된 문맥

▪

PCB(Process Control Block)

▪

커널 스택

•

프로세스 컨텍스트를 알아야 하는 이유

→ time sharing(시분할), 멀티 태스킹 등 여러 프로세스가 하나의 CPU 에서 동시에 실행되기 때문

프로세스 상태(Process State)

Running

•

매 순간 CPU 를 잡고 instruction 을 실행하는 프로세스의 개수는 하나이다.

•

이때, instruction 을 실행하는 프로세스의 상태를 running

•

CPU 를 내려놓는 상황은 3가지

◦

IO 같은 오래걸리는 작업이 필요해서 자진하여 내려놓음 → waiting

◦

timer interrupt(할당된 시간이 만료) → ready

Ready

•

메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고 CPU 를 잡기 위해 기다리는 프로세스의 상태

Blocked(wait, sleep)

•

IO 작업 또는 디스크에서 읽어와야하는데 아직 완료하지 못하는 등 CPU 를 잡아도 당장 instruction 을 수행할 수 없는 상태 

•

IO, disk IO, 공유 데이터 접근 작업 등

Suspended(stopped)

•

외부적인 이유(medium-term scheduler 등)로 프로세스의 수행이 정지된 상태

•

프로세스는 통째로 디스크에 swap out 

Blocked: 자신이 요청한 event 가 만족되면 ready 상태
Suspended: 외부에서 resume 해 주어어야 active
Plain Text
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편의상 queue 지만, 실제로는 priority queue 이다.

PCB(Process Control Block)

•

운영체제 커널이 각 프로세스마다 프로세스와 관련된 정보, 프로세스를 관리하기 위해 운영체제가 자신의 데이터 영역에 두고 있는 것

OS가 관리상 사용하는 정보

•

Process state, pointer, pid

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스케쥴링 정보, 우선순위 등

CPU 수행 관련 하드웨어 값

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PC, registers

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프로세스 컨텍스트를 유지하기 위한 정보들

메모리 관련

•

code, data, stack 의 위치 정보

파일 관련

•

open files list

Context Switching

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프로세스는 짧은 시간동안 CPU 를 얻었다가 내놓는 과정을 반복한다.

•

CPU 를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

◦

CPU 를 사용하던 프로세스가 다른 프로세스에 넘겨줄 때 당시의 상태를 프로세스의 PCB 에 저장(PC, registers, memory map 등)

◦

CPU 를 새로 잡는 프로세스는 프로세스의 상태를 PCB 에서 읽어옴

•

System call: 프로세스가 본인이 필요해서 OS 에 요청

•

system call 이나 interrupt 발생 시 반드시 context switch 가 일어나는 것은 아니다.

프로세스가 다른 프로세스로 넘어가야 context switch

Process Queue

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queue 에는 각 프로세스의 pcb 가 들어간다.

•

Job queue

◦

현재 시스템 내의 모든 프로세스 집합

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Ready queue

◦

현재 메모리 내에 있으면서 CPU 를 잡아 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합

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Device queue

◦

IO device 처리를 기다리는 프로세스의 집합

•

프로세스들은 각 큐들을 오가면서 수행

IO request 와 wait for an interrupt 박스는 개념이 유사

Scheduler

long-term scheduler

•

job scheduler

•

메모리를 어떤 프로세스에게 줄지 결정

•

프로세스가 시작이 되고 ready 상태에 가기 위해서는 memory 할당이 필요하다. 이때 메모리 할당을 결정하는 스케쥴링

•

time sharing system 에는 보통 long-term scheduler 가 없다(무조건 ready).

•

multiprogramming 을 제어

•

메모리에 프로그램 몇개를 올려놓을지를 제어

short-term scheduler

•

CPU scheduler

•

ms 단위

•

다음 번에 어떤 프로세스를 running 시킬지 결정

medium-term scheduler

•

장기 스케쥴러는 프로그램이 시작할 때 메모리를 할당할지 말지 결정하는데, 중기 스케쥴러는 메모리에서 일부 프로세스를 통째로 디스크로 쫓아낸다.

•

multiprogramming 을 제어

쓰레드

프로세스 내부 CPU 수행 단위

pointer, process state, process number 는 OS 관리용 정보

memory limits, list of open files 는 자원 관련 정보

Program Counter: 메모리의 어느 부분을 실행하고 있는지 가르키는 것

같은 일을 하는 프로세스를 여러개 실행하려고 했을 때 메모리 낭비가 있기때문에 프로세스를 하나만 실행하고 내부에서 PC, 또는 CPU 수행 단위만 여러 개 놓는 것

프로세스 내부에서 공유할 수 있는 부분은 최대한 공유하고 CPU 수행과 관련된 정보(PC, registers, stack) 만 독립적으로 갖는다.

A thread(or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization.

구성

•

Program Counter

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register set

•

stack space

공유하는 부분(task)

•

code section

•

data section

•

OS resources

장점

•

하나의 쓰레드가 blocked(waiting) 상태 동안에도 다른 쓰레드가 running 상태가 되어 빠르게 처리(web page 읽어오는 예시)

•

동일한 일을 수행하는 다중 쓰레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상

•

병렬성 높임

•

Responsiveness

◦

하나의 쓰레드가 block 상태라도 다른 쓰레드는 running 상태

•

Resource Sharing

◦

code, data, 프로세스 자원 등을 공유

•

경제성

◦

n 개의 프로세스를 만드는 것보다 n 개의 쓰레드를 만드는 것이 creating, CPU switching 에서 경제적이다.

•

멀티 프로세서 구조에서 병렬성

프로세스 생성

•

부모 프로세스가 자식 프로세스 생성

•

프로세스 트리(계층 구조) 형성

•

프로세스가 실행되려면 자원이 필요

◦

OS 로부터 받음

•

주소 공간

◦

자식 프로세스는 부모 프로세스의 공간을 복사하고 그 공간에 새로운 프로그램을 올린다.

•

유닉스

◦

fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스 생성

A process is created by the fork() system call → creates a new address space that is a duplicate of the caller.

◦

copy 시 모든 정보(code, data, stack)을 메모리에 copy 하는 것이 아니라 공유할 수 있는건 최대한 공유한 뒤 copy

◦

exec() 시스템 콜로 새로운 프로그램을 메모리에 올림

•

copy on write

int main()
{
	int pid;
	pid = fork();
	if (pid == 0)
		printf("I am child");
	else if (pid > 0)
		printf("I am parent");
}
C
복사

→ 부모 프로세스에서 fork() 를 하면 자식 프로세스가 만들어지는데, 자식 프로세스는 main 함수 처음부터 다시 시작하는 것이 아니고, fork() 이후부터 실행된다. 그래서 무한히 반복 X

이유는 fork() 부모 프로세스의 컨텍스트(PC)를 복제하기 때문이다.

→ fork() 의 return value 값으로 자식 프로세스는 0 을 얻고 부모 프로세스는 양수 값을 얻는다. 이 return value 로 부모 프로세스와 자식 프로세스를 구분할 수 있다.

◦

exec()

A process can execute a different program by the exec() system call. → replaces the memory image of the caller with a new program.

◦

다른 프로그램을 실행시킨다.

int main() {
	printf("hello");
	/* execlp("/bin/date", "/bin/date", (char *) 0); */
	execlp("echo", "echo", "HI", (char *) 0);
	printf("bye");
}
C
복사

→ printf(”bye”); 는 실행되지 않는다.

◦

wait()

◦

커널은 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스를 sleep 시킨다(block 상태)

◦

자식 프로세스가 종료되면 커널은 부모 프로세스를 깨운다(ready 상태)

main {
	int childPID;
	childPID = fork();
	if (childPID == 0)
		printf("HI");
	else {
		wait();
	}
	printf("wake up");
}
C
복사

◦

exit()

◦

명시적으로 프로그램 종료 

•

정리

◦

fork(): create a child(copy)

◦

exec(): overlay new image

◦

wait(): sleep until child is done

◦

exit(): frees all the resources, notify parent

프로세스간 협력

독립적 프로세스(independent process)

•

프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행

•

원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향 X

협력 프로세스(cooperating process)

•

협력 메커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미침

IPC(inter-process communication)

•

메시지 전달 방식

◦

message passing: 커널을 통해 메시지 전달(자체적으로 전달은 못하고 커널을 통해서 전달해야 함)

▪

프로세스 사이에 공유 변수(shared variable)를 사용하지 않고 통신

▪

direct communication: 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시

▪

indirect communication: mailbox or port 를 통해 메시지를 간접적으로 전달

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주소 공간 공유 방식

◦

shared memory: 서로 다른 프로세스간에 일부 주소 공간을 공유, 커널에게 shared memory 한다는 시스템 콜을 해야함