프로세스

프로세스의 개념

"실행 중인 프로그램"
“컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램”

• 프로세스의 문맥(context)
  • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
    • Program Counter(PC) : 현재 수행되고 있는 코드의 위치를 가리킨다.
    • 각종 register : 각 코드를 수행할 때 필요한 데이터를 의미한다.
  • 프로세스의 주소 공간
    • code, data, stack
  • 프로세스 관련 커널 자료 구조(약간 정적)
    • PCB(Process Control Block)
    • Kernel stack
• 시분할 시스템에서는 임의의 시점에 여러 프로세스가 동시에 수행하는 경우도 있다. 이를 멀티태스킹이라고 한다.

프로그램 vs 프로세스

프로그램

• 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태
• 어떤 작업을 하기 위해 실행할 수 있는 파일 또는 프로그램

프로세스

• 메모리에 적재되고 CPU 자원을 할당받아 프로그램이 실행되고 있는 상태
• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
• 즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미한다.

프로세스의 상태

• Running, Ready, Blocked, New, Terminated
  
• Running : CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태
• Ready : CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건은 모두 만족)
• Blocked(wait, sleep)
  • CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태 (ex. getch())
  • Process 자신이 요청한 event(ex. I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
  • ex) 디스크에서 파일을 읽어와야 하는 경우
• New : 프로세스가 생성 중인 상태(Loader)
• Terminated : 수행(execution)이 끝나 종료할 때 잠시 생기는 상태
• Suspended(stop)
  • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
  • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다.
  • ex1) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우(break key ctrl + z)
  • ex2) 시스템이 여러 이유로 프로그램을 잠시 중단시킴 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와있을 때)

Blocked : 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
Suspended : 외부에서 resume해 주어야 Active

PCB(Process Control Block)

• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
• 커널의 Data 부분에 생성된다.
• 구성 요소(구조체)
  

1. OS가 관리상 사용하는 정보

• Process state, Process ID(PID)
• scheduling information, priority(프로세스 우선순위)
  cf) 커널 프로세스는 priority 높다.

2. CPU 수행 관련 하드웨어 값

• Program Counter(PC), registers

3. 메모리 관련

• Code, Data, Stack의 위치 정보

4. 파일 관련

• Open file descriptors(ex. fopen)
• ex) A에서 이미 open 했는데 B에서도 open하려고 할 경우 막아야 함

문맥 교환(Context Switch)

• CPU가 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

  • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
  • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

• System call이나 Interrupt 발생 시 반드시 문맥 교환이 일어나는 것은 아니다.

  1. I/O가 아닌 주로 연산 시스템 콜 함수인 경우, 문맥 교환이 없이 user mode로 복귀할 수 있다.
     • 사용자 프로세스 A -> 커널 모드(ISR or system call 함수) -> 사용자 프로세스 A
  2. timer interrupt나 I/O 요청 시스템 콜인 경우는 문맥 교환이 일어난다.
     • 사용자 프로세스 A -> 커널 모드 -> 사용자 프로세스 B

  1의 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 저장해야 하지만, 문맥 교환을 하는 2의 경우 그 부담이 훨씬 크다.
  (ex) cache memory flush : A 수행 중일 때 A관련 캐시 메모리가 주로였곘지만, A->B로 문맥 교환 시, 캐시 메모리에 있는 데이터를 모두 flush한다.)

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

• Job queue : 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스 집합
• Ready queue : 현재 메모리 내에 있으면서, CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queue : I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
  
  

스케줄러(Scheduler)

Long-Term Scheduler(장기 스케줄러 or Job scheduler)

• 프로세스에 memory(및 각종 자원)를 주는 문제
• 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue에 보낼지 결정(New -> Ready)
• degree of Multiprogramming 제어
• 시분할 시스템에는 보통 장기 스케줄러가 없다. (무조건 ready)

Short-Term Scheduler(단기 스케줄러 or CPU scheduler)

• 프로세스에 CPU를 주는 문제
• 어떤 프로세스를 다음에 running 시킬지 결정한다.
• 충분히 빨라야 한다. (millisecond 단위)

Medium-Term Scheduler(중기 스케줄러 or Swapper)

• 프로세스에게서 memeory를 뺏는 문제
• 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
• degree of Multiprogramming 제어

Thread

Thread 개념

“프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위”
"basic unit of CPU utilization" (CPU 사용하는 기본 단위)

• 프로세스의 특정한 수행 경로
• 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

동료 Thread와 공유하는 부분(=task)

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당(+register)받고
  Code, Data, Heap 영역은 공유한다. (Code, Data, Heap, OS resources)
  (반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.)
• PC도 각각 따로 둔다.
• 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

Thread 특징

• 다중 Thread로 구성된 태스크 구조에서는 하나의 서버 Thread가 blocked(waiting) 상태인 동안에도 동일한 태스크 내의 다른 스레드가 실행(running)되어 빠른 처리가 가능하다.
• 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리률(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.
• Thread를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다.

Thread 장점

• Responsiveness(응답성, 반응성)
• Resource Sharing : 관리 쉬워짐
• Economy : 비용 줄어든다 (creating & CPU switching thread)
• Utilization of MP(Multi Process) Architectures
  • each thread may be running in parallel on a different processor

(프로세스는 안전성이 좋다.)

Thread의 구현

• Some are supported by kernel 👉 Kernel Threads
  • Windows 95/98/NT
  • Solaris
  • Digital UNIX, Mach
• Others are supported by library 👉 User Threads
  • POSIX Pthreads
  • Mach C-threeads
  • Solaris threads
• Some are real-time threads