운영체제 03 프로세스 관리 | KOCW 이화여대 반효경

Process | 프로세스

프로세스 = 실행중인 프로그램

프로세스의 문맥(context)

• CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
  : Program Counter
  : 각종 register
• 프로세스의 주소 공간
  : code, data, stack
• 프로세스 관련 커널 자료 구조
  : PCB(Process Control Block)
  : Kernel stack

프로세스의 상태

• Running, Ready, Blocked | wait | sleep
• Running: CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
• Ready: CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건 모두 만족)
• Blocked | wait | sleep
  : CPU를 주어도 당장 instrunction을 수행할 수 없는 상태
  : Process 자신이 요청한 event가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
  : 공유 데이터를 다른 곳에서 쓰고 있어서 내가 처리할 수 없는 상태도 포함됨

프로세스 상태도

PCB

• Process Control Block
• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
  

문맥 교환(Context Switch)

• CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정
• CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
• CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

CPU를 얻었다 뺐겼다 반복하기 때문에 어디까지 수행되었고, 다음 수해할 것이 무엇인지 파악하기 위해서 기록해두는 격

System call이나 Interrupt 발생 시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님
ex) 프로세스 A가 실행되다가 system call을 해서 kernel로 넘어갔다가 다시 A로 넘어오는 경우 => 문맥 교환이 아님
그렇다고 이 경우에 PCB의 정보가 아예 업데이트되지 않는 것은 아님

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• Job queue
  현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready queue
  현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queue
  I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

  프로세스는 각 큐를 오가며 실행됨

스케줄러 | Scheduler

Long-term scheduler | job 스케줄러

• 시작 프로세스들 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
• 프로세스에 memory를 주는 문제
• degree of Multiprogramming을 제어
  : 메모리에 프로세스를 얼마나 할당할지의 문제
• time sharing system에는 보통 장기 스케줄로가 없음(무조건 ready)

Short-term scheduler | CPU 스케줄러

• 어떤 프로세스르 ㄹ다음번에 running 시킬지 결정
• 프로세스에 CPU를 주는 문제
• 충분히 빨라야함(timer나 interrupt가 발생할 때마다 처리해야하기 때문에)

time sharing system에서 장기 스케줄러가 보통 없기 때문에 degree of Multiprogramming를 제어할 수 없고 따라서 메모리를 관리할 수 없음. 그래서 두는 것이 아래 중기 스케줄러

Medium-turm scheduler | Swapper

• 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
• 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
• degree of Multiprogramming을 제어

• 기존의 프로세스의 상태는 Running, Ready, Blocked가 있었는데 중기 스케줄러가 등장하면서 Suspended | stopped가 하나 더 추가됨
• 중기 스케줄러로 인해서 메모리에서 쫓겨난 프로세스 등을 일컫음

Blocked vs Suspended
Blocked: 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
Suspended: 외부에서 resume해 주어야 Active

프로세스의 상태도(추가)

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Thread | 스레드

"웹브라우저를 여러개 띄우더라도, 실행 파일이 같으니 똑같은 코드이지 않은가. 좀 더 효율적으로 할 수는 없을까?"

• 같은 프로그램에 대해서 프로세스 하나를 새로 만드는 것이 비효율적이고 각각이 따로 메모리에 올라가는 것도 비효율적임
• 스레드: 프로세스 내부에서 CPU 수행의 단위

• 기존 프로세스
  

• 스레드 적용
  

• PCB에서 다른 것들은 똑같은 것이니까 공유를 하고
  => PC, register 값만 각각의 스레드에서 관리

• 컨텍스트 스위치의 높은 오버헤드를 상당부분 줄여줄 수 있음

스레드의 구성

• program counter
• register set
• stack space

스레드가 동료 스레드와 공유하는 부분(=task)

• code sectoin
• data section
• OS resources

스레드의 장점

• 응답성
  다중 스레드로 구성된 테스크 구조에서는 하나의 서버스레드가 blocked상태인 동안에도 동일한 테스크 내의 다른 스레드가 실행(running)되어 빠른 처리를 할 수 있다.
• 자원 공유
  binary code, data, resource를 공유함
• 경제성
  process을 새로 만들고 swiching하는 비용을 아낄 수 있음
• 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다
• 병렬성
  Multiprocessor 환경에서 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있음

Web browser 예시
하나의 스레드가 네트워크로부터 이미지를 받아오는 동안에
다른 스레드가 나머지 html(text라던지)를 먼저 그려서 사용자 편의성을 높일 수 있음

PCB 도식화

• Process Control Block
  

Single and Multithreaded Processes

구현

• Kernel Threads
  운영체제가 스레드의 존재를 인지
• User Threads
  운영체제가 스레드의 존재를 인지하지 못함

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프로세스 생성

• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성

  Q. 부모 프로세스가 자식 프로세스를 직접 만들 수 있는가?
  A. 프로세스가 직접 하지는 못하고 운영체제에 요청을 해서 만드는데 그 요청이 바로 fork() 시스템 콜

• 프로세스의 트리(계층 구조) 형성
• 프로세스는 자원을 필요로 함
  운영체제로부터 받거나 부모와 공유(이례적)
• 자원의 공유
  부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
  일부를 공유하는 모델
  전혀 공유하지 않는 모델
• 수행
  부모와 자식이 공존하며 수행되는 모델
  자식이 종료될때까지 부모가 기다리는(blocked) 모델
• 주소 공간(Address space)
  자식은 부모의 공간을 복사함(binary and OS data)
  자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림

  Q. 모든 자식 프로세스가 부모 프로세스를 복사한 것에 불과하면 모두 같은 프로세스만 돌리는것인가?
  A. 부모의 프로세스를 복사하고 새로운 프로그램을 덮어씌우는 것이 바로 exec()

프로세스 종료(Process Termination)

• 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려줌(exit)
  자식이 부모에세 output data를 보냄
  프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨
• 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킴(abort)
  자식이 할당 자원의 한계치를 넘어섬
  자식에게 할당된 테스크가 더 이상 필요하지 않음
  부모가 종료(exit)하는 경우
  운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다(*단계적인 종료)

프로세스와 관련한 시스템 콜

• fork(): create a child(copy)
• exec(): overlay new image
• wait(): sleep until child is done
• exit(): frees all the resources, notify parent

fork() 시스템 콜

: 복제 생성
: 자식을 하나 만들어달라고 요청하는 시스템 콜
: 어디까지 실행되었는지까지도 복사가 되며, pid를 통해 부모인지 자식인지 구분
: 부모의 pid값. 즉,fork()의 return 값은 자식의 pid값임
Parent process(pid > 0)
Child process(pid = 0)
: 위와 같은 구분에 따라 부모와 자식을 다른 프로세스로 분기할 수 있음

exec() 시스템 콜

: 덮어 씌우기
: 현재 프로그램에 새로운 프로그램 덮어씌우기
: 보통 fork()로 자식 프로그램을 만들고 exec()를 통해 덮어씌워서 완전히 새로운 프로그램을 생성
: 현재 프로그램을 덮어씌웠기 때문에 다시 원래 코드로 복귀가 불가능함. 즉, exec() 시스템 콜 뒤에 코드는 죽은 코드

wait() 시스템 콜

• 자식이 종료될 때까지 부모를 wait 시킴
• 프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출하면
  ⇒ 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep시킨다(block 상태)
  ⇒ Child precess가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨운다(ready 상태)
  

exit() 시스템 콜

• 프로세스를 종료 시킴
• 자발적 종료
  : 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜
  : 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 자동 삽입
• 비자발적 종료
  : 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시킴
  자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원을 요청하거나 자식에게 할당된 테스크가 더 이상 필요하지 않을 경우
  : 키보드로 kill, break 등을 입력허는 경우
  : 부모가 종료하는 경우
  부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료됨

프로세스 간 협력

독립적 프로세스

• Independent process
• 프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행되므로 원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못함

협력 프로세스

• Coopertaing prcoess
  프로세스 협력 메커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있음

프로세스 간 협력 메커니즘(IPC)

• IPC: Interprocess Communication
• 메시지를 전달하는 방법
  

message passing

• 커널을 통해 메시지 전달
• 주소 공간을 공유하는 방법
• 직접 message를 보내는 방법은 없고 운영체제가 매개가 됨
  

shared memory

• 서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 함

Thread
스레드는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵지만 동일한 process를 구성하는 스레드들 간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능

📚 참고

KOCW | 운영체제 | 이화여자대학교 | 2017-1 | 반효경

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Photo by Tianyi Ma on Unsplash