📌 Process

✨ 프로세스의 개념

• Process ia a program in execution

📢 프로세스의 문맥 (context)

• 특정 시점을 놓고 보았을때 해당 프로세스가 어디까지 실행했고 어떤 상태인가
• 프로세스가 생성되면 주소를 만들고 CPU가 해당 프로세스 수행 시작
• 어느 시점에 프로세스는 어디까지 와있는가?
• CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
  • Program Counter - 어딜 가리키고 있는가? (프로세스의 어느 부분인가?)
  • 각종 register - 어떤 instruction까지 실행했는가?
• 프로세스의 주소 공간
  • code, data, stack 에 어떤 내용이 들어있는가 ?
    • data : queue, PCB
• 프로세스 관련 커널 자료 구조
  • PCB (Process Control Block)
    • Process가 하나 생길 때 마다 운영체제는 PCB는 하나씩 두고 있으면서 CPU, memory를 얼마나 주어야 할지 관리.
    • 운영체제가 PCB를 어떻게 평가하는지 알아야 함
    • OS에서 프로세스들을 관리하기 위한 자료구조
  • Kernel stack
    • 각 프로세스가 수행 불가능한 작업을 위해 시스템 콜을 할 때 쌓이는 스택
      • 프로세스별로 커널 스택을 따로 둠
• 멀티 태스킹을 위해 프로세스가 변경될 때 문맥을 백업 해두어야 함.

✨ 프로세스의 상태 (Process State)

📢 프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다

• Running
  • CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
• Ready
  • CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
  • 물리적인 메모리에 올라와 있는 상태. CPU만 얻으면 되는 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
• Suspended (stopped)
  • 외부적인 이유(중기 스케줄러, 사용자 etc)로 프로세스의 수행이 정지된 상태
  • 프로세스는 통째로 디스크에 swop out 된다.
  • ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지 시킨 경우 사용자가 다시 재개할 때까지 Active한 상태가 될 수 없음
• New
  • 프로세스가 생성중인 상태
• Terminated
  • 수행(excution)이 끝난 상태 (아직 프로세스는 kill 되지 않음)

✨ Process Control Block (PCB)

• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
• 다음의 구성 요소를 가진다. (구조체로 유지)

(1) OS가 관리상 사용하는 정보

• Process state, Process ID
• scheduiling information, Priority

(2) CPU 수행 관련 하드웨어 값

• Program counter, registers

(3) 메모리 관련

• Code, data, stack의 위치 정보

(4) 파일 관련

• Open file descriptros ..

✨ 문맥 교환 (Context Switch)

• CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정
• CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행 (메모리 커널에서 수행)
  • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
  • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴
• System call이나 (하드웨어) Interrupt 발생시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님
  • not context swtich: process A → OS → process A
    • 이때도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save해야 하지만 Overhead가 적음
  • context switch: process A → process B
    • 캐시 메모리 모두 지움(flush) → 큰 Overhead
  • 사용자 프로세스로부터 CPU가 프로세스로 넘어가는 것을 context switch라고 하지 않음

✨ 프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• Job queue
  • 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready queue
  • 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queues
  • I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
• 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

✨ 스케줄러 (Scheduler)

• Long-term Scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼 지 결정
  • 프로세스에 memory (및 각종 자원)을 주는 문제
    • 시작될 때, 메모리에 올라가는 것을 admit
  • degree of Multiprogramming을 제어
    • 메모리에 올라가 있는 프로세스의 수를 제어
  • time sharing system 에는 보통 장기 스케줄러가 없음 (무조건 ready)
• Short-term Scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)
  • 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)
• Medium-term Scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)
  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
  • degree of MultiProgramming을 제어

✨ Thread

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

• Process 내부에 CPU 수행단위가 여러개 있는 것

📢 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.

📢 장점

• 다중 thread로 구성된 태스크 구조에서는 하나의 서버 thread가 blocked (waiting) 상태인 동안에도 동일한 task 내의 다른 thread가 실행(running) 되어 빠른 처리를 할 수 있다.
• 동일한 일을 수행하는 다중 thread가 협력하여 높은 처리율 (throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.
• thread를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다.
• Responsiveness
  • ex) multi-threaded Web - if one thread is blocked (ex. network), another thread continues (ex. display)
• Resourece Sharing
  • n threads can share binary code, data, resource of the process
• Economy
  • creating & CPU switching thread (rather than a process)
  • Solaris의 경우 위 두 가지 overhead가 각각 30배, 5배
• Utilization of MP Architectures
  • each thread may be running in parallel on a different processor

✨ Implementation of Threads

📢 Some are supported by kernal > kenel Threads

• Windows 95/98/NT
• Solaris
• Digital UNIX, Mach

📢Others are supported by library > User Threads

• POSIX Pthreads
• Mach C-threads
• Solaris threads

📢 Some are real-time threads

📌 질문

✨ Question

1. 프로세스와 스레드의 차이를 설명해보세요.
2. 동기식 입출력과 비동기식 입출력의 차이에 대해 설명해보세요.

✨ Answer

1. 프로세스는 실행중인 프로그램을 말하고, 스레드는 프로세스 내부에 CPU 수행단위가 여러개 있는 것을 말한다. 프로세스는 자원을 운영체제로부터 할당받고, 스레드는 프로세스로부터 할당받는다. 프로세스보다 문맥 교환에도 용이하며 하나의 스레드가 blocked 상태일 때 또 다른 스레드가 실행될 수 있기 때문에 빠른 처리를 할 수 있다.

1. 동기식 입출력은 I/O 요청 후 입출력 작업이 완료된 후에야 제어가 사용자 프로그램에 넘어가지만 비동기식 입출력은 I/O가 시작된 후 입출력 작업이 끝나기를 기다리지 않고 제어가 사용자 프로그램에 즉시 넘어간다.