Process

uuuu.jini·2023년 4월 3일
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OperatingSystemLecture

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✅ 프로세스의 개념


  • Process is a program in execution
  • 프로세스의 문맥(context)
    • CPU의 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


프로세스는 상태가 변경되며 수행된다.

  • Running: CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
  • Ready: CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
  • Blocked(wait, sleep): CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태, Process 자신이 요청한 event가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
    • 예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
    • 자신이 요청한 일이 만족되면 ready
  • Suspended: 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
    • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다.
    • 외부에서 resume해주어야 active 된다.
    • 예) 사용자가 프로그램을 일시정지시킨 경우 (사람이 재개시켜야만 다시 active된다.)
    • 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
  • New : 프로세스가 생성중인 상태
  • Terminated: 수행이 끝난 상태

✅ PCB (Process Control Block)


  • 운영체제가 각 프로세스 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
  1. OS가 관리상 사용하는 정보: Process status, Process ID, Scheduling information, Priority
  2. CPU수행 관련 하드웨어 값: PC, registers
  3. 메모리 관련: Code, data, stack의 위치 정보
  4. 파일 관련 : Open file description

✅ 문맥 교환


CPU를 한프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행

  • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장

  • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

  • System call이나 Interrupt 발생시 반드시 context switch 가 일어나는 것은 아님

✅ 프로세스를 스케줄링하기 위한 큐


  • Job Queue: 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
  • Ready queue: 현재 메모리 내에서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스 집합
  • Device queue: I/O 장치의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

✅ 스케줄러


  • 장기 스케줄러 (Long - term scheduler)
    • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 레디큐로 보낼지 결정
    • 프로세스에 메모리를 주는 문제
    • degree of Multiprogramming을 제어
      • 메모리에 여러개의 프로그램이 올라간다.
      • 몇개의 프로그램에 메모리를 줄지를 결정한다.
    • time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음
  • 단기 스케줄러 (Short - term scheduler)
    • 어떤 프로세스를 다음번에 러닝 시킬지 결정
    • 프로세스에 CPU를 주는 문제
    • 충분히 빨라야함
  • 중기 스케줄러 (medium - term scheduler or swapper)
    • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
    • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
    • degree of Multiprogramming을 제어

✅ 동기식 vs. 비동기식 차이점

  • 동기식: 어떤 프로세스가 입출력 요청을 하는 경우 수행이 되는 동안에 해당 프로세스가 대기해야하는 경우
    • cpu를 해당 프로세스가 가지고 있는 경우
    • cpu를 다른 프로세스에게 넘기는 경우
  • 비동기식: 입출력 요청 이후 입출력 진행 후 다른 인스트럭션 실행하는 경우

✅ Thread

  • A thread is a basic unit of CPU utilization
  • 같은 일을 하는 프로세스를 여러개 띄우려고 하는 경우 같은 메모리 공간을 띄어놓고 다른 코드를 실행하도록 하는 것이 쓰레드이다.
    • PC만 여러개를 둔다.
    • 프로세스 하나에 CPU 수행단위만 여러개 두는 것 ⇒ 쓰레드
  • 쓰레드 구성 요소
    • PC: 현재 실행 명령어 위치
    • register
    • stack space
  • Thread가 동료 쓰레드와 공유하는 부분 (=task)
    • code section
    • data section
    • OS resources
  • 전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 쓰레드를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.
  • 프로세스 하나에서 공유할 수 있는 것을 최대한 공유
  • 다중 스레드로 구성된 태스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked 상태인 동안에도 동일한 태스크 내의 다른 스레드가 실행되어 빠른 처리를 할 수 있다.
  • 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율과 성능 향상을 얻을 수 있다.
  • 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다.
  • 메모리 낭비를 줄일 수 있다.
  • 프로세스는 하나이므로 PCB는 하나만 만들어지고 , CPU수행에 관련된 정보만 각 스레드가 별도로 가지게 된다. (PC, registers)

✅ Single and Multithreaded Processes


  • single: code, data, 여러 자원 공유
  • cpu 수행 관련 정보 ⇒ 스레드마다 별도로 가짐

✅ 쓰레드 장점


  • Responsiveness: 응답성, 사용자 입장에서 빠르다. 웹브라우저가 쓰레드를 여러개 가지는 경우 하나의 스레드가 외부에서 응답을 기다리는 동안에 다른 스레드가 동작을 한다.
  • Resource Sharing: 자원 공유, n threads can share binary code, data, resource of the process
    • 각종 자원의 공유가 가능하다. 자원의 효율적 사용이 가능하다.
  • Economy: creating & CPU switching thread (rather than a process) 경제성
    • Solaris의 경우 위 두가지 오버헤드가 각 30배, 5배
    • 프로세스 하나 생성의 오버헤드는 크지만, 쓰레드를 생성하는 것은 오버헤드가 크지 않다.
    • 문맥교환의 경우 프로세스간에는 오버헤드가 크지만 쓰레드는 그렇지 않다.
    • 같은 작업인 경우 쓰레드 여러개를 만드는 것이 효율적이다!
  • Utilization of MP Architectures: each thread may be running in parallel on a different processor
    • CPU가 여러 개인 경우 (Multi processor) 유리하다. ⇒ 프로세스가 하나이지만 쓰레드가 여러개인 경우 각 CPU에서 동시에 작업이 가능하다.

✅ Implementation of Threads


  • kernel (Kernel Threads) : 쓰레드가 여러개인 상태를 운영체제 커널이 알고 있다.
  • library (User Threads): 프로세스안에 쓰레드가 여러개인 것을 운영체제는 모른다. 커널이 보기엔 일반적인 프로세스로 보인다. 수행단위를 여러개 두고 유저 프로세스가 직접 관리를 한다. ⇒ 제약점이 많다.
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