Process

Process

1 Process의 개념

• 프로세스란 실행 중인 프로그램이다
• 프로그램은 명령어 리스트를 내용으로 가진 디스크에 저장된 파일과 같은 수동적인 존재이다
• 실행 파일이 메모리에 적재될 때 프로그램은 프로세스가 된다
• 프로세스는 프로그램과 다르게 문맥(Context)를 가지고 있다

2 Context

• 프로세스의 현재 상태를 나타내기 위한 모든 정보를 Context라 한다.
• 프로세스의 문맥에는 하드웨어 문맥, 주소 공간, PCB, 커널 스택이 있다

하드웨어 문맥

• 하드웨어 문맥은 CPU의 수행 상태를 나타낸다
• program counter, 각종 register

주소 공간

• 프로세스가 할당 받은 메모리의 논리적인 공간을 의미한다
• Process 주소 공간(Address Space)은 stack, heap, data, text로 구성된다

PCB

• 운영체제의 커널이 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 자료 구조
• 커널의 데이터 영역에 프로세스의 context를 저장한다
• 커널의 주소 공간 중 data 영역에 존재한다 아래 그림 참조

Kernel Stack

• 프로세스 마다 별도의 커널 스택이 할당된다

3 Process의 주소 공간

• 프로세스가 할당 받은 메모리의 논리적인 공간을 의미한다
• Process 주소 공간(Address Space)은 stack, heap, data, text로 구성된다

stack

• 임시적인 자료
• 함수의 매개변수
• 복귀 주소
• 로컬 변수

heap

• 프로세스 실행중에 동적으로 할당되는 메모리

data

• 전역 변수

code(text)

• 프로그램 코드

4 Process의 상태

• 프로세스는 실행되면서 상태가 변하며 아래 상태들 중 하나에 있게 된다

new

• 프로세스가 생성 중인 상태

ready

• 프로세스가 메모리에 올라와 있으며 처리기에 할당되기를 기다리는 상태
• CPU에 할당되면 바로 명령어를 처리할 수 있는 상태

running

• 명령어들이 실행되고 있는 상태

wating(blocked)

• 계산이란 어떤 데이터에 대해 연산을 수행하는 것으로 데이터가 없거나 아직 도착하지 않으면 계산을 수행할 수 없다.
  • 이때 프로세스는 계산을 수행할 수 없는 상태로 대기하게 된다.
  • 이 상태를 waiting 또는 blocked라고 한다.
• 프로세스가 어떤 이벤트가 일어나기를 기다리는 상태
• CPU에 할당되어도 명령어를 처리할 수 없는 상태
• 입출력 완료 또는 신호의 수신을 기다린다
• 예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우

suspended(stopped)

• 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
• 외부에서 다시 재개를 시켜야지만 active한 상태가 된다
• 예) 메모리 부족으로 프로세스가 중기 스케줄러에 의해 메모리에서 디스크로 swap out된 경우
• 예) 사용자가 프로세스를 일시 정지 시킨 경우
• wating(blocked)와의 차이점
  • suspended 상태는 일의 수행이 완전히 정지된 상태라는 점
  • wating(blocked)는 이벤트가 일어나기를 기다리는 상태이며 기다리는 이벤트는 진행중이기 때문에 일이 진행중인 상태

terminated

• 프로세스의 실행이 종료된 상태

5 PCB(Process Controll Block)

• PCB는 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 자료구조이다
  • 즉 프로세스의 Context를 저장하고 관리하기 위한 자료구조
• 커널의 주소공간 중 data 영역에 PCB를 가지고 있다
• Context Switch 과정에서 현재 실행중인 프로세스의 정보를 저장하고 이후 중단된 부분부터 다시 실행하기 위해 사용한다
• 아래와 같은 구성 요소를 가진다

OS의 관리 용도

• 프로세스 상태
• 프로세스 ID
• 스케줄링 정보, 프로세스의 우선순위

CPU 수행 관련 하드웨어 정보

• Program Counter
• Registers
  • 누산기, 인덱스 레지스터, 스택 레지스터, 범용 레지스터, 상태 코드

메모리 관련

• base와 limit 레지스터의 값
• code, data, stack의 위치 정보

입출력 상태 정보

• 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일의 목록

6 Context Switch

• CPU를 다른 프로세스로 교환하려면 이전의 프로세스의 상태를 보관하고 새로운 프로세스의 보관된 상태를 복구하는 작업이 필요
• 이 작업을 문맥 교환(Context Switch)라고 한다.

Context Switch 과정

• 프로세스A에서 프로세스B로 Context Switch되는 과정을 알아보자

1. 운영체제 커널은 교체될 프로세스A의 문맥을 프로세스A의 PCB에 저장한다
2. 실행이 스케줄된 프로세스B의 문맥을 복구하기 위해 프로세스B의 PCB를 읽어온다

Context Switch가 아닌 경우

• 시스템 콜이나 인터럽트 발생시 반드시 Context Switch가 일어나는 것은 아니다
• 시스템 콜이나 인터럽트 발생시 커널 모드로 진입하는데 이는 Context Switch가 아니다
  • 이 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 저장해야 하지만 두 사용자 프로세스의 문맥교환보다 비용이 적게든다.

• 사용자 프로세스 A를 실행중 시스템콜이나 인터럽트 발생시 커널 모드에 진입 이후 문맥 교환 없이 프로세스 A의 user mode로 복귀하는 경우 Context Switch가 일어난다고 할 수 없다.

• 허나 timer interrupt나 프로세스 A의 I\O 요청 system call인 경우에는 항상 문맥교환이 일어난다

Process Scheduling

• 다중 프로그래밍의 목적은 CPU 이용을 최대하기 위해 항상 어떤 프로세스가 실행되도록 하는데 있다.
• 시분할의 목적은 각 프로그램이 실행되는 동안 사용자가 상호 작용할 수 있도록 프로세스들 사이에 CPU를 빈번히 교체하는 것이다.
• 이 목적을 달성하기 위해 프로세스 스케줄러는 CPU에서 실행 가능한 여러 프로세스중에서 하나의 프로세스를 선택하며 이를 프로세스 스케줄링이라고 한다.

1 스케줄링 큐

• 프로세스는 일생 동안에 다양한 스케줄링 큐들 사이를 이주한다.
• 큐의 종류로는 Job 큐, ready 큐 등이 있다

Job queue

• 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합

ready queue

• 현재 메모리 내에 있으면서 CPU 할당을 기다리는 프로세스의 집합

device queue

• I\O 장치의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
• 각 장치는 그 자신의 device queue를 가진다

2 Scheduler

• 프로세스는 일생 동안에 다양한 스케줄링 큐들 사이를 이주한다.
• 운영체제는 어떤 방식으로든지 스케줄링 목적은 위해 프로세스들을 이들 큐에서 반드시 선택해야한다.
• 이 선택을 적절한 스케줄러가 하게 된다. 스케줄러는 아래와 같이 구분된다.

Short-term scheduler(단기 스케줄러)

• 어떤 프로세스에 CPU를 할당할지 결정한다

Long-term scheduler(장기 스케줄러)

• 시작 프로세스 중 어떤 것을 ready queue로 보낼지 결정한다.
• 프로세스에 memory 및 각종 자원을 할당한다.
  • 즉 장기 스케줄러는 프로세스를 메모리에 올리는 기능을 한다
• Degree of Mutilprograming을 제어한다.
  • 메모리에 올라가있는 프로세스의 수를 의미한다.
• 시분할 시스템에서는 보통 Long-term scheduler가 없어 프로세스가 시작되면 바로 ready queue 에 들어간다.

Medium-term scheduler(중기 스케줄러 or swapper)

• 메모리의 여유 공간을 마련하기 위해 어떤 프로세스를 메모리에서 디스크로 쫓아낼지를 결정한다.
• 메모리에서 디스크로 내려간 프로세스의 상태는 Suspended(Stopped)가 된다
• 이러한 기법을 swapping이라 한다.
• Degree of Mutilprograming을 제어한다.
• 시분할 시스템에서는 Long-term scheduler가 없기 때문에 Medium-term scheduler가 사용된다
  • Long-term scheduler가 없기 때문에 모든 프로세스가 메모리에 올라가며 메모리 관리를 위해 중기 스케줄러가 작동한다

Process Management

1 Process 생성

• 실행되는 동안 프로세스는 여러 개의 새로운 프로세스를 생성할 수 있다.
• 생성하는 프로세스를 부모 프로세스라고 부르고, 새로운 프로세스는 자식 프로세스라고 부른다.
• 이 새로운 프로세스는 각각 다시 새로운 프로세스를 생성할 수 있으며 그 결과 프로세스의 트리를 형성한다.

자식 프로세스의 자원

• 자식 프로세스가 실행되려면 자원(CPU, 메모리, 파일, 입출력 등)이 필요하다.
  • 운영체제로 부터 직접 자원을 할당 받는다
  • 부모의 자원을 공유한다.
• 부모 프로세스와의 자원의 공유에는 3가지 모델이 있다
  • 모든 자원을 공유하는 모델
  • 일부를 공유하는 모델
  • 공유하지 않는 모델

자식 프로세스의 실행

• 프로세스를 실행하는 두가지 방법
  • 부모와 자식 공존하며 실행을 계속한다.
  • 부모가 일부 또는 모든 자식이 실행을 종료할 때까지 기다린다.

자식 프로세스의 주소 공간

• 자식 프로세스는 부모 프로세스의 주소 공간을 복사한다
• 자식 프로세스가 부모로 부터 복사된 주소 공간에 새로운 프로그램을 적재한다.
• 유닉스의 예시
  • fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스를 복제 생성한다.
  • 부모의 주소 공간을 그대로 복사해 주소 공간을 할당한다
  • exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 주소 공간에 적재한다.

2 Process 종료

• 프로세스가 마지막 문장의 실행을 끝내고 exit 시스템 콜을 사용하여 운영체제에게 자신의 삭제를 요청하면 종료한다.
• 이 시점에서 프로세스는 부모 프로세스에게 wait 시스템 콜 호출을 통해 상태 값을 반환할 수 있다.
• 물리 메모리와 가상 메모리, 열린 파일, 입출력 버퍼를 포함한 프로세스의 모든 자원이 운영체제로 반납된다.
• 오직 부모 프로세스가 자식의 실행을 종료 시킬 수 있다.
• 언제 부모 프로세스가 자식 프로세스를 종료 시킬까?
  • 할당된 자원의 한계치를 넘어선 경우
  • 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않을 경우
  • 부모가 종료(exit)하는데, 운체제제는 부모가 exit한 후에 자식이 실행을 계속하는 것을 허용하지 않는 경우 연쇄식 종료

3 Process 관련 시스템 콜

fork() 시스템 콜

• fork() 시스템 콜을 사용해 프로세스를 생성할 수 있다
• 호출자의 주소공간을 복제한 새로운 주소공간을 만든다.
• fork()의 반환값
  • 부모: 자식의 PID
  • 자식: 0

exec() 시스템 콜

• exec() 시스템 콜을 통해 프로세스는 다른 프로그램을 실행할 수 있다.
• 호출자의 주소공간을 새로운 프로그램으로 교체한다.

wait() 시스템 콜

• 프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출하면
• 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep시킨다.(block 상태)
• Child process가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨운다.(ready 상태)

exit() 시스템 콜

• 프로세스의 종료
• 모든 자원을 반납하고 부모에게 상태 값을 반환한다.
• 자발적 종료
  • 마지막 statement 수행후 exit() 시스템 콜 직접 호출
  • 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어준다.
• 비자발적 종료
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 종료시킴
  • 부모 프로세스가 종료되는 경우
  • kill, break 명령어를 통해

Interprocess Communication

• 운영체제 내에서 실행되는 병행 프로스세들은 독립적이거나 또는 협력적인 프로세스이다

독립적 프로세스

• 다른 프로세스에게 영향을 주거나 받지 않는 프로세스

협력적 프로세스

• 다른 프로세스에게 영향을 주거나 받는 프로세스

1 프로세스 협력의 이유

• 정보공유: 여러 사용자가 흥미를 가진 정보를 병행적으로 접근할 수 있는 환경 제공
• 계산 가속화: 태스크를 서브 태스크로 나누어 병렬로 실행하여 계산을 가속화
• 모듈성: 시스템 기능을 별도의 프로세스들 또는 스레드로 나누어 시스템을 구성할 수 있다
• 편의성: 개별 사용자들이 한 순간 많은 태스크를 가질 수 있다

2 IPC(interprocess communication)

• IPC는 협력적 프로세스간 통신 기법으로 기본적으로 공유 메모리와 메세지 전달 모델이 있다

3 Shared Memory(공유 메모리)

• 협력적 프로세스들에 의해 공유되는 메모리의 영역이 구축된다
• 프로세스들은 이 영역에 데이터를 읽고 쓰고 함으로써 정보를 교환할 수 있다

4 Message Passing(메세지 전달)

• 프로세스들이 커널을 통해 메세지를 전달해 통신한다
• 적은 양의 데이터를 교환하는데 유용하다
• 분산 시스템에서 공유 메모리 보다 구현이 쉽다