0. Introduction

• 해당 내용은 운영체제와 정보기술의 원리 -반효경 지음- 와 kocw 이화여자대학교 운영체제 - 반효경 교수 -를 보고 정리한 내용입니다.
• 정확하지 않은 내용이 있다면 말씀해주시면 감사하겠습니다.

1. 프로세스의 개념

1.1 Process (프로세스)

• is a prgram in execution
  • 프로세스 = 실행 중인 프로그램
  • 디스크에 실행파일 형태로 존재하는 상태(프로그램) → 메모리에 올라감 → 실행
  • 이 실행 중일 때를 process라 한다.

1.2 Process context (프로세스 문맥 )

• process의 수행 상태를 정확히 아는데 필요한 모든 요소

• process conetxt를 알아야 하는 이유???

  • CPU는 시분할 시스템으로, timer interrupt에 의해서 여러 process가 돌아가면서 CPU를 사용한다.
  • 이런 상황에서, 한 process가 CPU를 다른 process에게 이양했다가 다시 획득했을 때, 직전 수행 시점의 정확한 상태 를 재현하기 위해서 필요하다.

• Process context의 분류

  

• Hardware context

  • Program counter
  • 각종 register
    • 이 register에 저장된 값들

• Process의 address space

  • code, data, stack
    • process만의 독자적인 주소 공간

• process 관련 kernel 상의 문맥

  • PCB (Process Control Block)
  • Kernel stack
    • OS가 process를 관리하기 위해 유지하는 자료구조들: PCB, kernel stack

2. 프로세스의 상태

2.1 Process의 상태도

• Process는 다음 상태 중 어느 한 상태에 머무르며, 시간의 흐름에 따라 변한다.

• Process의 상태를 나누는 이유는 컴퓨터의 자원을 효율적으로 관리하기 위함

• Process의 상태도

  

  • Running:
    • CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태
  • Ready:
    • 다른 조건은 다 만족하고, 메모리에는 올라와 CPU만 기다리는 상태
  • Blocked( wait, sleep ):
    • CPU를 할당받아도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
    • process 자신이 요청한 event가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
      • ex) disk에서 file을 읽어와야 하는 경우 (I/O 작업)
  • New:
    • process가 시작되어 자료구조는 생성되었지만, 메모리 획득을 승인받지 못한 상태
  • Terminated:
    • execution(실행)이 끝났지만, 자료 구조 정리는 완료하지 못한 상태

• Dispatch:

  • CPU를 할당받을 process를 선택한 후, 실제로 CPU의 제어권을 넘겨받는 과정

2.2 Process 상태 변화 예시

입출력을 요청한 프로세스의 상태 변화

• Running state

  • A process가 CPU를 할당 받아 기계어 명령을 하나씩 수행

• → I/O 요청

  • 파일의 내용을 disk에서 읽어와야 명령이 진행될 수 있으므로, 입출력 요청을 한다.

• → Blocked state

  • 입출력 요청이 완료될 때까지 CPU를 반환한 다음, disk 입출력 서비스를 기다리며 봉쇄 상태로 바뀐다.
  • 그리고, 해당 process는 device I/O queue 뒤에 줄슨다.

• → Ready state의 process 중 선정

  • CPU를 할당받을 process를 선택하기 위해, ready 상태의 process 들 중에서 CPU scheduler가 적절한 process를 하나 선정하여 CPU를 할당한다.

• → Running state

  • B process가 CPU를 받아 자신의 code를 실행한다.

• → device controller 가 interrupt 발생

  • I/O 작업을 하던 controller가 interrupt를 발생하여 CPU에게 I/O 작업 완료를 알림

• → B process를 user mode에서 kernel mode 진입

  • interrupt의 발생 원인이 B process와 상관없어도, CPU가 현재 사용하고 있던 process가 kernel mode로 진입했다고 판단.

• → Ready state

  • HW interrupt에 의해서 A process를 blocked state에서 ready state로 바꾼 후, CPU의 ready queue에 줄을 세운다.
  • 그리고, device의 local buffer에 있는 내용을 memory로 이동한다.

3. 프로세스 제어블록

3.1 PCB란 ??

• 운영체제가 각 process를 관리하기 위해,
• process 마다 유지하는 정보들을 담는,
• 커널 내의 자료구조

3.2 PCB의 구성 요소

• 1) OS가 관리를 위해 사용하는 정보
  • Process state, process ID
    • process state: CPU를 할당해도 되는지 여부를 결정하기 위해
    • process ID: 효율적인 관리를 위해 process 마다 매긴 고유 번호
  • scheduling information, priority
• 2) CPU 수행 관련 HW 값
  • program counter: 다음에 수행할 명령의 위치를 가리킨다.
  • registers
• 3) 메모리 관련
  • code, data, stack
• 4) 파일 관련
  • open file descriptors: 입출력 관련 상태 정보

4. 문맥교환 (Context switch)

Context switch란??

• CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

• 문맥 교환 중, OS가 실행하는 것들

  • CPU를 내어주는 process의 state를 이 process의 PCB에 저장

  • CPU를 새롭에 얻는 process의 state를 PCB에서 읽어온다.

    

• context switch가 일어나는 경우와 그렇지 않은 경우

  • System call이나 interrupt 발생 시, 반드시 문맥교환이 일어나는 게 아니다.

    

    • 첫 번째 경우, 단지 같은 process의 mode가 바뀌는 경우
    • 두 번째 경우가 context switch다.
    • 첫 번째 경우도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 저장해야 하지만, context switch를 하는 경우, 오버헤드가 훨씬 크다. (eg. cache memory flush)
      • A process의 address space의 code를 실행하다가, kernel address space의 code를 실행하는 것이기 때문에, PCB에 저장해야 한다.

• 문맥교환에 소요되는 시간은 일종의 오버헤드다.

  • 그래서, timer로 CPU 할당시간을 아주 작게 세팅하면 문맥교환이 빈번히 발생하기 때문에, 오버헤드가 상당히 커진다.
  • 하지만, CPU 할당 시간을 너무 크게 설정하면 시분할 시스템의 의미가 퇴색된다.
  • 그러므로, 적절한 CPU 할당시간을 정해야 한다.

5. 프로세스를 스케쥴링 하기 위한 큐

5.1 kernel의 process 상태 관리

• process 상태 관리는 kernel의 주소 공간의 data 영역 에 다양한 queue를 두어 수행한다.
• process들은 각 queue들을 오가며 수행한다.

5.2 다양한 queue 종류

• Job queue
  • 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스를 관리하기 위한 큐
  • 모든 process가 속한다.
  • ready queue와 device queue가 다 포함된다.
  • ready 큐에 포함하면 device 큐에는 포함되지 않는다.
• Ready queue
  • 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queues (장치 큐) = HW queue
  • 각 I/O device의 service를 기다리는 process의 집합
  • 각 deivce마다 있기 때문에, 다양하다.
  • 예)
    • device controller가 줄 서 있는 순서대로 I/O 작업 수행 → 작업 완료하면 controller가 interrupt 발생 → interrupt service routine에 의해서 입출력 작업이 완료된 process는 I/O queue에서 나와 CPU대기 queue 슨다.
• resource queue = SW resource
  • SW queue가 필요한 이유??
    • SW resource인 공유 데이터에 여러 process가 접근할 경우, 데이터의 일관성 훼손 이 발생할 수 있다.
    • 그래서, 공유 데이터에는 매 시점 하나의 프로세스만이 접근하도록 한다.
      • SW resource에 접근 중인 process가 다 사용하고 반납할 때까지, 다른 process가 CPU를 할당받았어도 접근하지 말고 공유 데이터 queue에서 기다려야 한다.

5.3 Process scheduling queue의 모습

• 위 image는 OS가 queue를 어떻게 자료구조로 구현하는지 보여준다.
• queue는 각 process의 PCB를 연결 list 형태로 관리하여 순서를 정한다.
• Queue header
  • 큐의 가장 앞부분
  • PCB의 pointer 부분이 이어진다.
• queue 흐름 설명
  • process가 CPU 할당받고 수행 중 I/O 요청이 발생하면 해당 device queue에 줄을 슨다.
  • device queue에 속한 process는 blocked state였다가, 해당 장치의 서비스를 받으면, device controller가 인터럽트를 발생시켜 준비 상태로 바껴 ready queue로 이동한다.
  • ready queue에는 PCB 7 다음에, PCV 2가 대기하고 있다.
  • magnetic tape에는 아무것도 대기하지 않는다.
  • disk queue에는 PCB 3 ← PCB 14 ← PCB 6 순서로 대기하고 있다.
  • terminal queue에는 PCB 5 만 대기하고 있다.

6. 스케쥴러 (Scheduler)

6.1 Long-term scheduler (장기 스케쥴러 or job scheduler)

• 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue 로 보낼지 결정
• process에 memory (및 각종 자원) 을 주는 문제
  • 메모리를 어느 것에 줄지를 결정
  • 현대의 컴퓨터는 메모리를 기본적으로 바로 준다.
• degree of Multiprogramming 제어
  • multi-programming: 메모리에 여러 프로그램이 동시에 올라가는 것을 의미
  • 이 메모리에 올라가는 수를 제어하는 것 → 컴퓨터 성능에 영향을 줌
  • 현 컴퓨터에는 장기 스케쥴러는 없고, 프로그램이 시작하면 다 ready 상태로 들어간다.
• time sharing system에는 보통 장기 scheduler가 없다. (무조건 ready)

6.2 Short-term schduler (단기 scheduler or CPU scheduler)

• 어떤 프로세스를 다음 번에 running 시킬지 결정
• 프로세스에 CPU 를주는문제
• 충분히 빨라야 함 (milli-second 단위)

6.3 Medium-Term Scheduler (중기 스케쥴러 or Swapper)

• 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아낸다.
• 프로세스에게서 memory 를 뺏는 문제
  • 메모리에 프로그램이 너무 많이 올라가면, 쫓아내어 전체적인 컴퓨터 성능을 개선.
  • 시스템 입장에서는 장기 스케쥴러보다 중기 스케쥴러를 주는 게 더 이득
• degree of multiprogramming 을 제어
  • 현재 multi-programming을 제어하는 scheduler
  • 이 중기 스케쥴러가 들어가 있기 때문에, 프로세스의 상태 3가지에 추가된 게 suspended다.

6.4 추가된 프로세스 상태도

• 중기 스케쥴러에 의해 suspended state가 추가되었다.
• Running
  • CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태
• Ready
  • CPU를 기다리는 상태( 메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
• Blocked (wait, sleep)
  • I/O 등의 event를 스스로 기다리는 상태
  • 예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
• Suspended (stopped)
  • 외부적인 이유로 강제로 프로세스의 수행이 정지된 상태
    • 중기 스케쥴러에 의해 강제로 뺏긴 상태
  • 이 상태의 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다.
  • 예) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (break key). 이 경우에는 사람이 재개시켜야 위의 상태가 된다.
    • 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴 → 중기 스케쥴러
    • (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
• blocked와 suspended 구분하기
  • Blocekd: 자신이 요청한 event가 만족되면(자신이 요청한 작업이 완료되면) Ready
  • Suspended: 외부에서 정지된 상태이기 대문에, 외부에서 resume 해 주어야 Active

7. 프로세스의 생성

7.1 Process creation (프로세스 생성) : COW(Copy-On-Write)

• OS가 process를 전부 생성하는 게 아닌, 부팅 후 최초의 process는 운영체제가 직접 생성한다. 그 다음부터는 이미 존재하는 process가 다른 process를 복제 생성한다.

• 부모 프로세스와 자식 프로세스의 정의 및 관계

  • process를 생성하는 process: 부모 프로세스
  • 부모 프로세스에 의해 생성된 process: 자식 프로세스
    • 부모 프로세스 1개가 자식 프로세스 최소 1개를 복제 생성 한다.
    • 또한, 자식 프로세스가 process를 생성할 수 있다.
    • 그래서 프로세스의 트리(계층 구조) 형성

• 작업 수행을 위한 자원

  • 부모 프로세스는 OS로부터 받는다.
  • 자식 프로세스는 부모 프로세스와 공유 한다.
    • 부모와 자식 프로세스가 서로 모든 자원을 공유 하는 모델
    • 일부를 공유 하는 모델
    • 전혀 공유하지 않는 모델

• 주소 공간 (Address space)

  • process 생성의 첫 번째: 부모 공간을 복사 → 두 번째: 복사한 공간에 새로운 프로그램의 주소 공간을 덮어씌운다.

• Process 와 관련한 system call (특권 명령 )

  • fork() : create a child (copy)
  • exec() : overlay new image = 새로운 프로그램으로서 덮어씌운다.
  • wait() : sleep until child is done
  • exit() : frees all the resources, notify parent

• UNIX의 예

  • os에게 fork() system call 요청하여, 새로운 process를 생성
    • 부모를 그대로 복사하고, 주고 공간을 할당
    • 복사할 때, 부모 프로세스의 process ID는 제외한다.
  • fork () 다음에 이어지는 exec () system cal을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올린다.
  • fork () 와 exec () 둘 다 system call을 통해서 실행되므로, 운영체제가 생성한다.

7.2 Process Termination (프로세스 종료)

• 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후, 운영체제에게 이를 알려준다. (’exit’ system call)
  • 자식이 부모에게 output data를 보낸다. (via ‘wait’ system call)
  • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납된다.
  • 자식 프로세스가 먼저 종료 후 부모 프로세스가 종료되야 한다.
• 부모 프로세스에게 자식의 수행을 종료시킨다. (abort)
  • 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어설 때
  • 자식에게 할당된 task가 더 이상 필요하지 않을 때 (자식 프로세스를 만든 이유가 일을 시키기 위함이기 때문)
  • 부모가 종료(exit)할 때
    • 운영체제는 부모프로세스가 종료하는 경우, 자식이 더 수행되도록 두지 않는다.
    • 단계적인 종료( 손자 → 자식 → 부모 )가 지켜져야 한다.

7.3 fork () system call

• creats a new address space that is a duplicate of the caller
• 자식 process를 만들 때, 부모 process의 program counter까지 복사된다.
  • 부모 process와 자식 process의 차이는 식별자 다.
• 그래서, program counter는 fork () 실행 후, 다음 코드를 가리키기 때문에, 자식 process는 fork ()한 이후부터 코드를 실행한다.
  • 자식 process라 부르지만, 복제인간이라 생각하는 게 정확한다.
  • 또한, 복제된 process는 자신을 원본이라 생각한다.
• 복제된 process인지 아닌지 구분하는 방법
  • fork 함수의 결과값으로 자식 process 는 0을, 부모 process에게는 양수를 준다.

7.4 exec () system call

• fork () 한 후, exec () system call을 통해서 자식 프로세스를 새로운 program으로 대체한다. (overwrite)
• 한 번 만들어지면 다시 되돌아갈 수 없다.

7.5 wait () system call

• wait () system call은 자식 process가 종료될 때까지 process A를 blocked state로 만든다.
• 자식 프로세스가 종료되면 kernel은 프로세스 A를 준비 상태로 변경하여 준비 큐에 진입.

7.6 exit() system call

• process의 종료
  • 자발적 종료
    • 마지막 statement 수행 후, OS에게 exit () system call로 자신이 종료됨을 알린다.
    • 명시적으로 exit ()을 호출하지 않아도, main () 함수가 반환되는 위치에 compiler가 자동으로 삽입해 프로세스 종료 직전에 항상 호출한다.
  • 비자발적 종료 (자식 프로세스 밖에서 종료시키는 경우)
    • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시킨다.
    • When??
      • 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 할당 자원 요청을 할 때
      • 자식에게 할당된 task가 더 이상 필요하지 않을 때
    • 프로그램 종료 버튼을 누르는 경우나, 키보드로 kill, break 등을 친 경우
    • 부모가 종료하는 경우
      • 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료된다.
• 프로그램을 강제 종료시킨 후, 계속 수행시켜야하는 경우에는 종료되지 않는 다른 자식 프로세스로 이양시켜서, 기존 부모 프로세스가 종료된 후에도 다른 프로세스 아래에서 계속 수행한다.
  • 부모가 죽기 전에 자식이 먼저 죽는다는 원칙은 여전히 지켜진다.

8. 프로세스 간의 협력

8.1 Process 간 협력하는 이유

• 독립적 프로세스 (Independent process)

  • 프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행되므로, 원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못한다.

• 하지만, process 간 협력한다면 왜 하고 어떻게 하는 것일까??

• 협력 프로세스( Cooperating process)

  • Why?
    • 업무의 효율성 증대: 부분적인 처리 결과, 정보를 공유할 수 있고, 처리 속도가 향상.
  • How?
    • IPC(Inter-Process Communication): process 간 통신과 동기화를 이루기 위한 mechanism

   

8.2 IPC의 대표적인 방법: 2가지

• Message passing: 메시지 전달 방식

  • Message passing의 특징

    • 프로세스 사이에 공유 변수(shared variable)을 일체 사용하지 않고 통신하는 시스템.
    • 중간에 kernel을 통해서 하는데, 명시적으로 process의 이름을 표시하냐 안하냐의 차이.
    • kernel에 의해 send(message)와 receive(message)라는 두 가지 연산을 제공받는다.
      • 즉, 이 두 가지 연산은 특권명령이다.

  • Message passing 방식 2가지

    • 직접 통신 (direct communication): Web socket
    • 간접 통신 (Indirect communication): Message queue, file 형식

    

• Shared memory: 공유 메모리 방식

8.3 Message passing 방식: 2가지

Message passing 방식에는 직접통신(direct communication)과 간접통신(indirect communication) 으로 나뉜다.

Direct communication

• 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시한다.
• Send (Q, message): process Q에게 메시지를 전송하는 것을 의미
• Receive (P, message): process P로부터 메시지를 전달받는 것을 의미
• link는 자동적으로 생성되며, 하나의 link는 정확히 한 쌍의 process에게 할당된다.
• 각 쌍의 process에게는 오직 하나의 link만이 존재한다.

Indirect communication

• 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시하지 않는다.
• mailbox ( or port)를 통해 메시지를 간접 전달한다.
• mailbox에는 고유의 ID가 있다.
• 이 mailbox를 공유하는 process 들끼리만 서로 통신할 수 있다.
• Send(M, message): M이라는 mailbox에 message를 전달하는 것
• Receive(M, message): M이라는 mailbox로부터 메시지를 전달받는 것
• mailbox를 3개 이상의 process가 공유할 경우, 각각의 프로세스에게 링크를 따로 생성가능.

8.4 Shared memory

• 서로 다른 process 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 mechanism
• 두 process가 서로 신뢰할 수 있는 process여야 한다.
• kernel에게 system call 후, memory가 공유된다.
• 물리적인 공간에 mapping 할 때, 공유된 상태로 진행한다.
• 이 방법에서 동기화 문제는 kernel 책임지지 않고, 공유되는 process 들이 책임져야 한다.

9. Thread

9.1 Thread란??

• A Thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization

  • CPU의 기본 실행 단위를 Thread 라 한다.

• Thread의 구성

  • Program counter
  • register set
  • stack space
    • stack space에서 여러 thread로 나눠진다.

• process 내부에서 thread가 동료 thread와 공유하는 부분 = task

  • code section
  • data section
  • OS resources

• heavyweight process 는 하나의 thread를 가지고 있는 task 다.

  

  

  • CPU가 명령 수행을 위해서는 코드의 실행될 부분을 가리키는 program counter가 있어야 한다.
  • 또한, memory에 register 값 을 세팅해야 한다.
  • OS는 process를 관리하기 위해 process마다 1개의 PCB를 둔다.
  • 이 PCB를 보면 여러 thread로 구성된 걸 확인할 수 있다.

9.2 Thread의 장점

• Responsiveness: 응답성
  • eg) multi-thread: 하나의 thread가 blocked state 인 동안에도, 동일한 task 내의 다른 thread가 계속 실행되어 빠른 처리를 할 수 있다.
• Resource sharing: 자원의 효율적인 관리
  • 여러 thread가 process의 code, data, resource를 공유하기 때문에, 자원 관리가 효율적.
• Economy: 경제성
  • process를 새로 생성하는 것보다 thread를 새로 생성하는 게 오버헤드가 훨씬 적다.
  • process 간의 switching보다, thread 간의 switching이 오버헤드가 훨씬 적다.
• Utilization of MP Architectures
  • 병렬로 thread가 실행될 수 있다.
  • 다중 thread가 협력하여 높은 처리율과 성능 향상을 얻는다.

9.3 Implementation of threads

• Some are supported by kernel ⇒ Kernel threads
  • thread가 여러 개인 것을 운영체제가 알고 있음
  • 예)
    • Windows 95, 98 / NT
    • Solaris
    • Digital UNIX, Mach
• Others are supported by library ⇒ User Threads
  • 운영체제가 프로세스 안에 thread가 여러개인 걸 모른다.
  • 즉, User program이 thread를 관리한다.
  • 예)
    • POSIX Pthreads
    • MAch C-threads
    • Solaris threads
• Some are real time threads
  • real time을 지원하는 thread

Reference

• 운영체제와 정보기술의 원리
• kocw 이화여자대학교 운영체제 - 반효경 교수 -