[Operating Systems] Process (1)

dandb3·2023년 3월 4일

Operating system

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프로세스의 개념

프로세스

program in execution

프로세스의 문맥(context)

CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
- Program Counter : 다음 실행될 명령을 가리키는 register. (instruction pointer, IP라고도 함.)
- 각종 register
프로세스의 주소 공간
- code, data, stack
프로세스 관련 커널 자료 구조
- PCB (Process Control Block)
- Kernel stack
  - kernel stack에는 프로세스 별로 stack이 따로 존재한다. 관리의 수월함(?)을 위해서.

프로세스의 상태

Running
- CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
Ready
- CPU를 기다리는 상태. (프로그램이 메모리에 올라가 있고, 준비가 되어 있어서 CPU만 받으면 바로 동작할 수 있다.)
Blocked(wait, sleep)
- CPU를 주어도 당장 instruction을 실행할 수 없다.
- Process 자신이 요청한 event(I/O 등)가 즉시 만족되지 않아서 이를 기다리는 상태
- ex) 디스크에서 파일을 읽어오는 경우
New : 프로세스가 생성중인 상태 (메모리에 올라가는 중, 등등)
Terminated : 수행(execution)이 끝난 상태 (메모리에서 내려가는 상태), 애초에 프로세스는 프로그램이 실행중인 상태에 해당하므로 프로세스가 종료되고 난 상태는 애초에 프로세스가 아니므로 종료되는 도중의 상태를 의미하게 된다.

프로세스는 CPU를 점유하고 있거나, I/O device나 공유데이터를 사용하고 있거나, 그 이외에는 Queue에 대기중인 상태이다. 즉, 항상 무언가를 하고 있는 상태 (혹은 대기중)이다.

Process Control Block (PCB)

PCB
- 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보.
- 구조체로 이루어져 있고, 다음과 같은 정보가 담겨 있다.
  1. OS가 관리상 사용하는 정보
    - Process state, Process ID
    - Scheduling information, priority
  2. CPU 수행 관련 하드웨어 값
    - Program counter, registers
  3. 메모리 관련
    - Code, data, stack관련 정보
  4. 파일 관련
    - Open file descriptors
  5. 기타
    - 부모, 자식을 가리키는 task_struct
- <include/linux/sched.h>에 있는 task_struct로 이루어져 있고, 각 프로세스는 doubly linked list로 연결되어 있다. kernel은 현재 실행중인 프로세스를 current pointer로 가리키게 된다.
프로세스의 종류
- I/O-bound process : 계산하는 시간보다 I/O를 하는 시간이 더 긴 프로세스
- CPU-bound process : 계산하는 시간이 I/O를 하는 시간보다 더 긴 프로세스

문맥 교환 (Context Switch)

CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정.
CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행한다.
- CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 PCB에 저장.
- CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어온다.
여기서 궁금한 점
1. Program Counter가 옮겨져야 운영체제의 코드가 실행될 수 있을 텐데, 그러면 이전의 Program Counter는 어떤 방식으로 저장이 되는 것인가? 운영체제의 코드가 실행되기 전에는 user mode 이므로 PCB에 직접 접근해서 값을 변경시킬 수는 없을거고, 그러면 다른 특수한 메모리 영역이나 레지스터에 그 값을 저장시키는 것인가??
2. CPU가 운영체제로 넘어갔을 때 운영체제의 instruction을 실행하기 위해서 레지스터가 쓰이게 될 텐데, 이 때에 기존에 존재하던 레지스터들의 정보는 어떤 방식으로 기록되는가?
3. Memory map이 정확히 무엇인지?
System call이나 interrupt 발생 시 반드시 Context Switch가 일어나는 것은 아니다.
(1)번과 (2)번이 좀 다른데, (1)의 경우 시간이 오래 걸리지 않는 system call이나 interrupt의 경우 User mode -> kernel mode -> User mode(기존 동일한 프로세스)의 순서로 CPU를 소유하게 된다. (2)의 경우 User mode -> kernel mode -> User mode는 동일하지만 timer interrupt나 I/O와 같은 시간이 오래 걸리는 system call의 경우 이후에 다른 프로세스에게 CPU를 넘겨주어야 한다. 그러므로 A의 문맥이 저장되고, 그 문맥이 B의 문맥으로 넘어가게 되는 Context Switch가 일어나게 된다.
하지만 (1)의 경우 kernel mode로 갔다가 다시 user mode로 돌아오는 과정에서 CPU의 상태, 메모리 위치 등을 기록하는 정도의 동작은 일어나지만, 그 동작이 (2)에서 일어나는 Context Switch의 경우보다 오버헤드가 훨씬 적기 때문에 (1)의 경우를 Context Switch라고 보지는 않는다.(ex : cache memory flush같은 경우 굉장히 오버헤드가 큼)
아래는 그냥 context switch 관련 그림. 근데 개인적인 생각으로는 이 그림에서 오해해서는 안 되는 것이, P0를 실행하다가 P1을 실행하다가 다시 P0를 실행하게 되는 것은 맞는데, CPU scheduling에 의해서 순서가 결정되는 것이지 바로 P0로 다시 돌아가는 것은 아니다. 이 과정을 그림에서는 ... 으로 표현해 놓았다.
context switch 시간동안은 시스템이 의미있는 일을 하지 못하기 때문에 pure overhead가 발생한다.

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 오가면서 수행된다.

스케줄러 (Scheduler)

Long-term scheduler (장기 스케줄러 또는 job scheduler)
- 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
- 프로세스에 memory(각종 자원)를 주는 문제
- degree of Multiprogramming(메모리에 동시에 올라가 있는 프로세스의 수)을 제어
- time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음 (무조건 ready 상태임)
Short-term scheduler(단기 스케줄러 또는 CPU scheduler)
- 어떤 프로세스를 다음번에 running시킬지 결정
- 프로세스에 CPU를 주는 문제
- 충분히 빨라야 함 (milisecond 단위)
Medium-term scheduler(중기 스케줄러 또는 Swapper)
- 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
- 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
- degree of Multiprogramming을 제어함.
- 현대 운영체제에서 Long-term의 역할이 필요없는 이유이다.
너무 프로세스가 적게 메모리에 올라와 있으면 CPU가 놀게 되므로 성능 저하, 너무 많이 올라와 있으면 각각의 프로세스가 메모리에 올라와 있는 부분이 너무 적어지므로 제대로 실행이 안됨. 그래서 이 때 Swapper가 동작해서 특정 프로세스들의 memory를 뺏게 된다. -> 이 때 기존의 프로세스 상태만으로는 뺏긴 메모리를 기술 불가능함. ready 상태라서 CPU를 받자마자 동작할 수 있는 것도 아니고, 당연히 running 상태도 아니며, 특정한 I/O나 event를 기다리고 있는 상태도 아니기 때문이다. 그래서 이러한 배경 때문에 Suspended(Stopped)상태가 추가로 필요하다.

프로세스의 상태 (2)

Suspended(stopped)
- "외부적인 이유"로 프로세스의 수행이 정지된 상태
- 프로세스는 통째로 디스크에 swap out된다.
- ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우(break key, Ctrl + Z)
  메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있는 경우 시스템에서 프로세스를 잠시 중단시킴.
Blocked : 프로세스 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready상태가 된다.
Suspended : "외부"에서 resume 해 주어야 Active가 된다.

확장된 프로세스 상태도

애초에 커널 관점에서 프로세스를 어떻게 바라볼 것인가? 에 대한 내용이므로 프로세스가 커널 모드로 들어갔을 때에 프로세스는 멈추거나 그런 상태로 보지 않고 똑같이 running이지만 kernel 모드로 동작중인 것으로 생각한다.
상태도를 보면 더 잘 이해할 수 있을듯.

CPU Scheduling

CPU scheduler : ready queue에 있는 process 중에서 하나를 선택해서 CPU core를 할당해 준다.
- I/O-bound process의 경우 I/O 요청 전에 아주 잠깐동안만 CPU를 사용하게 된다.
- CPU-bound process의 경우 CPU사용시간이 더 오래 필요하기 때문에 한 번에 더 오랜시간동안 CPU를 사용할 것 같지만, 그렇지는 않다. timer interrupt때문에 그런듯.
swapping : memory가 너무 많이 사용되고 있는 경우 등의 이유로 memory에서 process를 지우는 과정. memory -> swap disk로 process의 정보들을 이동시킨다.