3장 Process

 

reference: kocw의 반효경 교수님 강의와 권진욱 교수님 강의(대학 정규 수업)
수업을 듣고나서 강의 교재를 타이핑하고 필기한 부분을 추가적으로 정리하였습니다.
웹뷰에서 toc를 제공합니다.
github의 md 파일로 보는 게 편하시다면, 여기로 이동해주시면 됩니다.

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1. 프로세스의 개념

Process is a program in execution

살아있는 하나의 생명체로 생각할 수 있다.

프로세스의 문맥 (context)

여기서 문맥이란 시간에 따라 변화하는 프로세스의 현재 상태를 의미한다.

• 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

2. 프로세스의 상태

프로세스는 상태 (state)가 변경되어 수행된다.

• Running
  • CPU 를 잡고 instruction을 수행 중인 상태
• Ready
  • 메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고 CPU를 기다리는 상태
  • 메모리에 있는 상태
• Blocked (wait, sleep)
  • CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
  • Process 자신이 요청한 event(예: I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
  • (예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
• New
  • 프로세스가 생성 중인 상태
• Terminated
  • 프로세스가 종료 중인 상태
  • 수행(execution)이 끝난 상태
  • 뒷 처리가 남은 상태

! 프로세스가 생성이 되지 않았다면 말 그대로 프로세스가 아니다. 종료가 되었다면 역시 프로세스가 아니다.

! CPU를 내놓는 3가지는 1. 할당 시간 만료 2. 오래걸리는 작업(i/o 같은) 3. 종료될 때

바로 아래 그림을 확실하게 기억해두자!

CPU는 한 개 밖에 없기 때문에 매순간 하나의 기계어를 실행한다.

공유데이터는 프로세스들끼리 같이 쓰는 데이터를 말한다.

• Q. disk와 관련된 interrupt는 하드웨어 interrupt일까 소프트웨어 interrupt일까?
  • A. 둘 다 이다.
  • 먼저 disk I/O를 하기 위해서 프로그램이 직접 못하고 OS에 요청해야 한다.
  • 여기선 system call 을 하기 때문에 sw interrupt이다.
  • I/O가 다 끝났을 때 disk controller가 cpu한테 interrupt를 걸어서 I/O 가 끝났다고 알려주는 것은 hw interrupt이다.

프로세스의 상태 변화도

조금 더 자세히 그린 프로세스의 상태 변화도이다.

교수님이 말씀하시길, 프로세스의 상태 변화도를 그리라고 하면 exit, new를 제외하고 Running 1개, Blocked와 Suspended Blocked, Ready와 Suspended Ready 이렇게 5개를 그리는 것이 적합하다고 하셨다.

2개의 Running 부분에 집중해보자. A라는 프로그램이 CPU를 가지고 돌아가고 있는데 그 도중에 disk controller가 interrupt를 발생시킨 경우. 이 때 CPU는 운영체제로 넘어가는데 A라는 프로세스는 여전히 Running 으로 간주된다. System call로 커널의 코드를 실행할 때도 해당 프로세스는 Running 상태라는 뜻이다. 다만 프로세스가 커널 모드에서 실행되고 있는 것이다.

Blocked은 I/O 때문에 될 수 있는데 그러다가 메모리를 통째로 빼앗기면(=inactive) Suspended Blocked 상태까지 넘어가게 된다. 이 후 I/O 작업이 끝났을 때 Suspended Ready 상태로 돌아갈 수 있다.

3. Process Control Block (PCB)

운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보 CPU 에게 뺏겼을 때 문맥을 저장하고 있어야 함.

위치

• OS 커널 주소 공간 중에서 PCB를 프로세스마다 각각 가지고 있음

구성 요소 (구조체로 유지)

• OS가 관리상 사용하는 정보
  • Process state, Process ID (PID)
  • scheduling information, priority
• CPU 수행 관련 하드웨어 값
  • Program counter, registers
• 메모리 관련
  • Code, data, stack의 위치 정보
• 파일 관련
  • Open file descriptors

4. 문맥 교환 (Context Switch)

CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

CPU 가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행한다.

1. CPU를 내어주는(빼앗기는) 프로세스 A의 상태(문맥)를 프로세스 A의 PCB에 저장
2. CPU를 새롭게 얻는 프로세스 B의 상태(문맥)를 프로세스 B의 PCB에서 읽어옴

주의할 점: System call 이나 Interrupt 발생 시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아니다.

1번의 경우, CPU의 수행 정보 등 A의 context 일부를 A의 PCB에 저장해야 하긴 하지만, overhead 가 굉장히 적은 작업이다.

5. (프로세스를 스케쥴링하기 위한) 큐

프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

• Job queue
  • 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready queue
  • 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
  • 현대에는 priority queue 로 우선순위 높은 친구들부터 실행되기를 기다린다.
• Device queues
  • I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

6. 스케줄러 (Scheduler)

운영체제에서 스케줄링 하는 특정 코드에 붙인 이름이다. 하드웨어가 아니다.

• Long-term scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
    • 위의 상태도에 admitted 과정에 해당함
    • 프로그램을 실행시킬 때 무조건 CPU를 얻을 수 있는 게 아니고 메모리에 프로그램이 올라와야지만 CPU 기계어 실행이 가능하다. 메모리에 들어오도록 허락해주는 admitted의 역할을 한다.
  • 프로세스에 memory (및 각종 자원)을 주는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어 --- 메모리에 여러 프로세스가 올라가는 것
  • time sharing system(즉 우리가 다루는 일반적인 OS)에는 보통 장기 스케쥴러가 없음.
• Short-term scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)
  • 어떤 프로세스를 다음 번에 running 시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)
• Medium-term scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)
  • 장기 스케줄러가 없기 때문에, 시작된 프로그램은 다 메모리에 들어오는데 메모리 경합이 심해서 시스템 성능이 안나올 수 있다. 그런 상황에서는 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아낸다. 이 방법이 효율적이라고 한다.
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어

7. Thread

7-1. Thread 개념

프로세스 중에서 CPU 수행단위를 스레드라 부른다. A thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization

• Thread의 구성
  • 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.
• 다중 스레드로 구성퇸 태스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked (waiting) 상태인 동안에도 동일한 태스크 내의 **다른 스레드가 실행(running)**되어 **빠른 처리**를 할 수 있다.
  • 예) 네트워크로 웹 페이를 읽어오는 동안에도 화면에 당장 보여줄 수 있는 것만이라도 보여주면 응답성이 빠르게 느껴짐.
  • 더 정확히, html 문서를 읽어와서 화면에 표시하려고 할 때, 텍스트만 있는 게 아니라 이미지도 있음. 이미지 같은 경우는 url로 받아오려면 웹 서버에 요청을 해야함. 이 이미지 요청 받아오는 것을 마냥 blocked 상태로 기다리지 않는다. 하나의 스레드가 네트워크로 이미지를 불러오는 동안에 또 다른 스레드가 당장 표시할 수 있는 text라도 먼저 표시한다.
• 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.
• 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다.

7-2. Thread 위치

7-3. Thread의 이점

• Responsiveness (응답성이 빠르다)
  • 예) 멀티스레드 웹, if one thread is blocked (네트워크), another thread continues (화면)
• Resource Sharing (자원 공유)
  • n개의 스레드는 binary code, data, resource of process 를 공유할 수 있다.
• Economy
  • 프로세스 하나를 만드는 것에 비해서 스레드 하나를 만드는 것은 30배 효율적이고
  • 문맥 교환하는 것보다 스레드를 만들어 활용하는 것은 5배 효율적이다.
• Utilization of MP Architectures
  • MP: multi processor
  • 병렬로 계산 가능, 예를 들면 1000 X 1000 행렬 곱셈을 수행할 때

7-4. Thread 구현

스레드의 존재를 운영체제가

• 알고 있는 경우: Kernal Threads
  • OS가 A 스레드 ㅡ> B 스레드 수행할 수 있음.
  • OS zㅓ널이 직접 지원해주는 스레드를 사용함.
• 모르는 경우: User Threads
• 사용자가 여러 스레드로 만들었지만 사용자 프로그램 단에서 스레드를 관리함.

구현과 관련된 또 다른 이슈로 real-time threads도 있다고 함.