[운영체제] 3. Process

프로세스의 개념

a program in execution

프로세스의 문맥(context)

특정 시점에서 해당 프로세스가 어디까지 실행을 했는지 규명하는 요소

• 1) CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥 : Program Counter, 각종 register
  • register가 현재 어떤 값을 가지는가
• 2) 프로세스의 주소 공간 : code, data, stack
  • code : 현재 어디까지 수행했는가
  • data : 현재 변수의 값이 무엇인가
  • stack : 무슨 내용을 어디까지 저장했는가

•  3) 프로세스 관련 커널 자료 구조 : PCB(Process Control Block), Kernel stack
  • process 생성될 때마다 pcb를 두어 관리
  • kernel stack : system call 시 kernel(여러 프로세스가 공유하는 코드)에서 일 처리
    -> 함수 호출 시 프로세스마다 별도로 stack 두어 정보 꼬임을 막음
  • multitasking 등을 통해 cpu를 여러 프로세스가 사용하고 있음 ->  프로세스의 문맥 파악을 통해 정확한 time sharing을 목표로 함.

 

프로세스의 상태 Process State

프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다

1) Running : CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태

2) Ready : CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족 -> 필요한 부분은 물리적 메모리에 모두 올라와 있음)

3) Blocked(wait, sleep)
- CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태.
- process 자신이 요청한 event(I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태(프로세스는 알아서 일을 하고 있음)
ex1) code가 물리적 메모리에 올라와 있지 않고 disk에 있는 상태
ex2) disk에서 file을 읽어와야 하는 경우

4) Suspended(stopped)

- 중기 스케줄러로 인해 생긴 상태

- 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태

- 프로세스는 통째로 디스크에 swap out된다

ex1) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우(break key)

ex2) 시스템 swapper이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴(메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)

- new : 프로세스가 생성중인 상태
- terminated : 수행 execution이 끝난 상태(정리할 것이 남아있음)

* Blocked : 자신이 요청한 event가 만족되면 ready (일을 하고 있음)

* Suspended : 외부에서 resume해주어야 active (수행이 정지되어 있음)

 

프로세스 상태도

- running(user mode) : 프로세스가 자신의 코드를 수행

- running(monitor mode) : 운영체제의 코드를 수행(운영체제가 running하고 있다 X. kernel 코드가 수행된다)

- blocked : I/O를 기다리는 경우 & 공유 데이터 접근 막는 경우

 

 

Process Control Block(PCB)

운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스 당 유지하는 정보

다음의 구성 요소를 가진 구조체로 유지한다

• OS가 관리상 사용하는 정보
  • Process state(ready/running/blocked), process ID
  • scheduling information, priority : 우선순위 스케쥴링
• CPU 수행 관련 하드웨어 값 : program counter, registers
• 메모리 관련 : code, data, stack의 위치 정보
• 파일 관련 : open file descriptors

 

문맥 교환 Context Switch

CPU를 한 (사용자) 프로세스에서 다른 (사용자) 프로세스로 넘겨주는 과정

CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행

• CPU를 뺏길 때의 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB(커널 주소 공간)에 저장
• CPU를 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

System call이나 interrupt(HW) 발생시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님

(사용자 프로세스 -> 운영체제로 CPU 넘어감)

(1) CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save해야 하지만 문맥교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 큼

ex) cache memory flush 

 

프로세스를 스케줄링 하기 위한 큐

프로세스들은 각 큐를 오가며 수행된다.

1) Job Queue : 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합(include ready queue, device queue)

2) Ready Queue : 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 기다리는 프로세스의 집합

3) Device Queues : I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

Process가 큐에 서는 모습

그림) interrupt가 발생했을 시 ready 상태로 넘어가는 것은 아님

 

스케쥴러 Scheduler

• Long-term scheduler 장기 스케줄러 / job scheduler
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
  • 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제(memory에 올라가는 것을 admit)
  • degree of multiprogramming을 제어(메모리에 올라가 있는 process의 수 -> 너무 적거나 많으면 성능 이슈)
  • time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음(무조건 ready)
    -> 요즘은 process 시작하면 그냥 바로 ready 상태로 들어감
• Short-term scheduler 단기 스케줄러 / CPU scheduler
  • 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • 충분히 빨라야 함(milisecond 단위)
• Medium-term scheduler 중기 스케줄러 / Swapper
  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
  • degree of multiprogramming을 제어
  • 현재 대다수의 프로그램이 사용하는 방법 -> suspended 상태 추가

 

Thread

프로세스 내부의 CPU 수행 단위(여러 개) 

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

 

Thread의 구성(별도)

• program counter
• register set
• stack space

Thread가 동료 thread와 공유하는 부분(=task)

• code section
• data section
• OS resources

전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.

 

Benifits of Threads

• 다중 스레드로 구성된 task 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked/waiting 상태인 동안에도 동일한 task 내의 다른 thread가 실행running되어 빠른 처리를 할 수 있다.
• 자원 절약 : 동일한 일을 수행하는 다중 thread가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다
  -> 여러 개의 process를 사용할 경우 code/data/stack을 새로 만들어야 함
• 병렬성을 높일 수 있다 : 다중 CPU 컴퓨터에만 한정

Single and multithreaded process

 

• 1) Responsiveness 응답성
  • multi-threaded web : 하나의 thread가 blocked되어도 다른 thread는 continues
  • 동기식 입출력 : I/O를 얻는 동안 block
  • 비동기식 입출력 : I/O를 얻는 동안에도 화면에 다른 text 띄워줌
• 2) Resource Sharing : n threads can share binary code, data, resource of the process
• 3) Economy
  • 프로세스 하나 만드는 것보다 thread 하나 만드는 게 더 경제적이다
  • 프로세스 간의 문맥교환 overhead > thread간의 문맥 교환 overhead
  • creating & CPU switching thread(rather than a process)
  • solaris의 경우 위 두 가지 overhead가 각각 30배, 5배
• 4) Utilization of MP Architectures : each thread may be running in parallel on a different processor

 

Implementation of threads

1) kernel thread(supported by kernel)

- thread가 여러 개 있다는 것을 system이 알고 있음 -> system이 thread 관리

- windows series, solaris, digital UNIX, Mach

2) user thread(supported by library)

- thread가 여러 개 있다는 것을 system이 모름 -> process 본인이 thread 관리 -> 제약 조건 존재

- POSIX Pthreads, Mach C-threads, Solaris threads

 

- some are real-time threads