03. 프로세스 관리

Minseok-Choi·2022년 2월 22일
OS
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OS Study

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kocw-반효경교수님-운영체제2017 강의 내용을 정리하였습니다.

커널 주소 공간의 내용

  • code
    • 커널코드
      • 시스템콜, 인터럽트 처리 코드
      • 자원 관리를 위한 코드
      • 편리한 서비스 제공을 위한 코드
  • data(자료구조를 가지고 있음)
    • PCB --프로세스관리를 위한 자료구조(table)
    • CPU --cpu관리를 위한 자료구조(table)
    • memory --memory관리를 위한 자료구조(table)
    • disk -- disk관리를 위한 자료구조(table)
  • stack
    • 프로세스의 커널 스택

사용자 프로그램이 사용하는 함수

  • 함수

    • 사용자 정의함수

      • 자신의 프로그램에서 정의한 함수

    • 라이브러리 함수

      • 자신의 프로그램에서 정의하지 않고 갖다 쓴 함수
      • 자신의 프로그램의 실행 파일에 포함되어 있다

    • 사용자 정의 함수와 라이브러리 함수는 프로세스의 코드 영역

    • 커널 함수

      • 운영체제 프로그램의 함수
      • 커널 함수의 호출 = 시스템 콜

    • 커널의 코드 영역

프로세스의 개념

  • 프로세스의 문맥(context)

    과거에 cpu를 얼마나 사용했는가

    메모리를 얼마나 차지했는가

    파일은 몇 개나 열어뒀는가 등

    • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
      • Program Counter
      • 각종 register
    • 프로세스의 주소 공간
      • Code,data,stack
    • 프로세스 관련 커널 자료 구조
      • PCB
      • Kernel stack

프로세스의 상태

프로세스

  • Running

  • Ready

  • Blocked(wait, sleep)

    • CPU를 줘도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태

    • Process 자신이 요청한 event가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태

    • 하드웨어(I/O) 처리가 시간이 오래걸려서 blocked상태가 되는 것만은 아니다.

      프로세스간의 공유 데이터를 같이 사용하게 될 때에도 blcoked 상태가 될 수 있다.

  • Suspended (stopped)

    • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태

    • 프로세스를 통째로 디스크에 swap out 된다

      예시) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (break key)

      시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴

      (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)

  • New : 프로세스가 생성중인 상태

  • Terminated : 수행이 끝난 상태

  • Blocked : 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready

  • Suspended : 외부에서 resume해 주어야 Active

  • Running 상태의 프로세스가 CPU 점유권을 내놓는 경우
    • Terminated
    • I/O or event wait
    • Timer interrupt

PCB

  • 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
  • 다음의 구성 요소를 가진다 (구조체로 유지)
    • OS가 관리상 사용하는 정보
      • Process state, Process ID
      • scheduling information, priority
    • CPU 수행 관련 하드웨어 값
      • Program counter, registers
    • 메모리 관련
      • code, data, statck의 위치 정보
    • 파일 관련
      • Open file descriptors

Context Switch

  • CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정
  • CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행
    • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
    • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴
  • System call이나 Interrupt 발생시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님
    • context의 일부를 PCB에 저장하는 작업은 있다.

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 디바이스의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
  • 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다

프로세스 - fork a child

자식 프로세스를 만드는 것(자신을 복제하는 것과 같다.)

스케줄러

  • Long-term scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler)
    • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정(admit)
    • 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
    • degree of Multiprogramming을 제어
    • time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음(무조건 ready)
  • Short-term scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)
    • 어떤 프로세스를 다음번에 running시킬지 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 Multiprogramming(현재 메모리에 있는 프로세스의 수) 제어

현대 운영체제는 Long-term sceduler가 없다.

프로세스를(new 상태없이) 바로 메모리에 ready 상태로 올라간다.

그래서 medium-term scheduler가 메모리를 빼앗는 역할을해서 메모리 관리를 한다.

Thread

스레드

  • Thread의 구성
    • Program counter
    • Register set
    • stack space
  • Thread가 동료 Thread가 공유하는 부분(=task)
    • code section
    • data section
    • OS resources
  • 전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.

스레드의 장점

  • 다중 스레도 구성된 테스크 구조에서는 하나의 서버 스레가 blocked(waiting) 상태인 동안에도 동일한 테스크 내의 다른 스레가 실행(running)되어 빠른 처리를 할 수 있다.

  • 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.

  • 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다. (다중코어 멀티프로그래밍)

  • 응답성

  • 자원 공유

  • 경제적

    • 프로세스에 비해서 스레드의 생성과 CPU switching이 훨씬 경제적

운영체제가 스레드의 존재를 알고있는 경우, Kernel Threads

사용자가 멀티스레드로 프로그램을 구현했으나 운영체제가 하나의 프로세스로 보는 User Threads

리얼타임목적으로 사용하는 스레드도 있다.

프로세스 생성

  • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성
  • 프로세스의 트리(계층 구조) 형성
  • 프로세스는 자원을 필요로 함
    • 운영체제로부터 받는다.
    • 부모와 공유한다.
  • 자원의 공유
    • 부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
    • 일부를 공유하는 모델
    • 전혀 공유하지 않는 모델
  • 수행
    • 부모와 자식은 공존하며 수행되는 모델
    • 자식이 종료될 때까지 부모가 기다리는 (wait) 모델
  • 주소 공간 (Address space)
    • 자식은 부모의 공간을 복사함
    • 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림
  • 유닉스의 예
    • fork()시스템 콜이 새로운 프로세스를 생성
      • 부모를 그대로 복사
      • 주소 공간 할당
    • fork() 다음에 이어지는 exec()시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올림

프로세스 종료

  • 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려줌 (exit)
    • 자식이 부모에게 output data를 보냄 (via wait)
    • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨
  • 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킴 (abort)
    • 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어섬
    • 자식에게 할당된 테스크가 더 이상 필요하지 않음
    • 부모가 종료(exit)하는 경우
      • 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다.
      • 단계적인 종료

  • 자바 스레드와 관련해서

  • 자바 스레드는 유저 스레드일까? 커널 스레드일까?

    • 자바 스레드는 유저 스레드이다. 그렇다면 운영체제가 멀티스레드인지 모르기때문에 다대일로 매핑 되지 않을까?

      • 그렇지 않다. 다대일의 방식의 다중 스레드 모델이 아닌 커널과 1대1로 매핑해주는 일대일 모델을 채택한다.
      • 초기 자바에서는 다대일 모델을 사용했었다. (green thread )

  • 그 이유는 JVM에서 찾을 수 있다.

    • JVM은 일반적으로 호스트 운영체제에서 구현된다.
    • 그리고 JVM은 하부 운영체제의 구현 세부 사항을 숨기고 자바 프로그램이 JVM을 지원하는 모든 플랫폼에서 작동할 수 있는 일관되고 추상적인 환경을 제공한다. (platform independent)
    • 그에 따라 자바의 스레드는 하부 운영체제와 매핑이 되는 방법을 명시하지 않고, 각 JVM의 구현에 맡긴다(운영체제에 종속적) 스레드 스케줄링 또한 또한 동일하다.
    • 그래서 자바의 스레드는 Windows 시스템에서는 windows API(스레드 라이브러리)를 통해 구현하고, UNIX, Linux, macOS 시스템에서는 Pthreads(스레드 라이브러리)를 통해서 구현된다.
    • 그렇기때문에 자바에서는 스레드 스케줄링을 할 수 없다. 우선순위를 설정을 할 수는 있지만, OS의 스레드 스케줄링에는 어떠한 영향을 미치는 지는 알 수 없다.

  • 그렇다면 왜 일대일 모델일까?

    • 현대 시스템에서 처리 코어 수가 증가함에 따라서 커널 스레드 수를 제한하는 것의 중요성이 줄어들었다.
    • 그래서 현대 운영체제의 다중 스레드 모델이 대부분 일대일 매핑이다.
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