[OS] 프로세스

장선규·2023년 6월 16일

OS OSTEP Virtualization process 가상화 운영체제 프로세스

[OS] OSTEP Study

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프로세스

프로세스: 실행 중인 프로그램

사용자는 하나 이상의 프로그램을 동시에 실행시키기를 원함
그러나 CPU는 한정되어 있음

그렇다면 어떻게 CPU가 여러개 존재한다는 것처럼 느끼게 할 수 있을까?

가상화 - 운영체제는 CPU를 가상화 하여 CPU가 여러개 존재하는 것처럼 느끼게 할 수 있음
- 하나의 프로세스 실행 -> 중단 -> 다른 프로세스 실행 -> 반복...
- 이를 시분할 이라고 함
- 시분할 하였을 때, CPU를 공유하므로 각 프로세스의 성능은 낮아짐
정책: 운영체제 내에서 어떤 결정을 내리기 위한 알고리즘
- 스케줄링 정책: 여러 프로그램 중 어떤 프로그램 먼저 실행시킬지 결정
  - 과거 정보로 결정
  - 워크로드에 관한 지식으로 결정
  - 성능 측정 결과로 결정

1. 프로세스의 개념

프로세스: 실행 중인 프로그램
하드웨어의 상태(machine state)를 이해해야 프로세스의 구성요소를 이해할 수 있음

메모리(주소공간): 모든 명령어, 프로그램이 읽고 쓰는 데이터가 메모리에 저장됨
레지스터: 프로세서에 위치한 고속 메모리, 연산에 필요한 데이터를 일시적으로 저장
- 명령어들이 레지스터를 직접 읽거나 갱신
- 프로그램 카운터(PC) - 어느 명령어가 실행중인지 알려주는 레지스터
- 스택 포인터, 프레임 포인터 - 함수의 변수와 리턴 주소를 저장하는 스택 관리용 레지스터

2. 프로세스 API

운영체제는 몇몇 기본 비긍에 대해서 반드시 API로 제공해야 된다.

생성(Create): 운영체제는 새로운 프로세스를 생성할 수 있는 방법을 제공해야 함
제거(Destroy): 운영체제는 프로세스를 강제로 제거할 수 잇는 인터페이스를 제공해야 함
대기(Wait): 어떤 프로세스의 실행 중지를 기다릴 필요가 있으므로 대기 인터페이스 필요
각종 제어(MiscellaneousControl): 일시정지, 다시시작 등 각종 제어 기능 필요
상태(Status): 프로세스의 상태 정보를 얻어내는 인터페이스 필요, 상태정보에는 얼마동안 실행되었는지, 어떤 상태에 있는지 등 포함

3. 프로세스 생성

그렇다면 프로그램이 어떻게 프로세스로 변형되는가?

1. 프로그램 코드와 정적 데이터를 메모리에 탑재(load)

실행파일을 실행시키면 메모리 어딘가에 올라간다고 생각하면 됨
과거에는 프로그램 실행 전에 코드와 데이터를 모두 메모리에 탑재함
요즘에는 프로그램 실행할 때, 필요한 부분만 메모리에 탑재
페이징(paging)과 스와핑(swapping) 동작은 추후에 자세히 배울 것

2. 스택과 힙 생성 및 초기화

스택 메모리 할당 - 지역변수, 인자, 리턴주소 등을 저장하기 위해
힙 메모리 영역 할당 - 동적/가변적으로 할당되는 데이터를 저장하기 위해

3. 입출력과 관계된 초기화 작업 수행

File descriptor: 터미널로부터 입력을 읽고 화면에 출력을 프린트하는 작을 쉽게 할 수 있음 (STDIN, STDOUT, STDERR)

4. 프로그램 실행

시작지점인 main()을 루틴으로 분기(?) <- 다음 장에서 배울 듯...
운영체제는 CPU를 새로 생성된 프로세스에게 넘기고, 프로그램 실행

4. 프로세스 상태

상태

실행(Running): 프로세스가 명령어를 실행하고 있음
준비(Ready): 프로세스는 실행할 준비가 되어 있지만, 운영체제가 어떠한 이유로 해당 프로세스를 실행시키지 않고 대기시킴
- ex) 다른 프로세스 이미 실행중
대기(Blocked): 프로세스가 다른 사건을 기다리는 동안 프로세스의 수행을 중단시킴
- ex) 입출력 요청 들어오면, 프로세스는 입출력이 완료될 때까지 대기

프로세스 상태전이

프로세스는 운영체제의 스케줄링 정책에 따라 스케줄이 되면 준비상태에서 실행상태로 전이한다

전이 예시
- Process0는 3초까지는 실행, Process1은 3초까지 준비(실행하지 않음)
- 3초에 Process0는 입출력을 시작하므로 이후엔 대기 상태가 됨, 그러므로 이때 Process1이 실행됨
- Process0의 입출력이 종료되었지만, 아직 Process1이 실행중이므로 Process0은 실행되지 못하고 준비 상태가 됨
- 이후 Process1이 종료되고 다시 Process0이 싱행됨

5. 자료구조

운영체제도 일종의 프로그램이다.
운영체제도 다른 프로그램처럼 다양한 정보를 유지하기 위한 자료구조를 가진다.

프로세스 리스트: 프로세스 상태를 파악하기 위한 리스트

레지스터 문맥(register context): 프로세스가 중단되을 때 해당 프로세스의 레지스터 값들을 저장

//프로세스를 중단하고 이후에 재개하기 위해 xv6가 저장하고 복원하는 레지스터
struct context{ 
	int eip; // 다음에 실행할 명령어 주소를 가지는 레지스터
    int esp; // 하나의 스택프레임의 끝 지점에 주소 저장하는 레지스터
    int ebx; // 등등
    int ecx; 
    int edx; 
    int esi; 
    int edi; 
    int ebp; 
};

이 레지스터 값들을 복원하여 운영체제는 프로세스 실행을 재개 (문맥교환, context switch)

현재 실행중인 프로세스, 대기중인 프로세스를 위한 자료구조도 있음

문제

process-run.py 프로그램은 프로세스가 실행되면서 변하는 프로세스의 상태를 추적할 수 있고,프로세스가 CPU를 사용하는지(예,add명령어 실행) 입출력을 하는지(예,디스크에 요청을 보내고 완료되기를 기다린다)를 알아볼 수 있다.상세한 사항은 README 파일을 확인하기 바란다.