6. IPC(Inter Process Communication)

프로세스는 독립적으로 실행된다. 즉, 독립 되어있다는 것은 다른 프로세스에게 영향을 받지 않는다고 말할 수 있다. (스레드는 프로세스 안에서 자원을 공유하므로 영향을 받는다)

이런 독립적 구조를 가진 프로세스 간의 통신을 해야 하는 상황이 있을 것이다. 이를 가능하도록 해주는 것이 바로 IPC 통신이다.

프로세스는 커널이 제공하는 IPC 설비를 이용해 프로세스간 통신을 할 수 있게 된다.

커널이란?

운영체제의 핵심적인 부분으로, 다른 모든 부분에 여러 기본적인 서비스를 제공해줌

IPC 종류

1. 익명 PIPE

파이프는 두 개의 프로세스를 연결하는데 하나의 프로세스는 데이터를 쓰기만 하고, 다른 하나는 데이터를 읽기만 할 수 있다.

한쪽 방향으로만 통신이 가능한 반이중 통신이라고도 부른다.

따라서 양쪽으로 모두 송/수신을 하고 싶으면 2개의 파이프를 만들어야 한다.

매우 간단하게 사용할 수 있는 장점이 있고, 단순한 데이터 흐름을 가질 땐 파이프를 사용하는 것이 효율적이다. 단점으로는 전이중 통신을 위해 2개를 만들어야 할 때는 구현이 복잡해지게 된다.

2. Named PIPE(FIFO)

익명 파이프는 통신할 프로세스를 명확히 알 수 있는 경우에 사용한다. (부모-자식 프로세스 간 통신처럼)

Named 파이프는 전혀 모르는 상태의 프로세스들 사이 통신에 사용한다.

즉, 익명 파이프의 확장된 상태로 부모 프로세스와 무관한 다른 프로세스도 통신이 가능한 것 (통신을 위해 이름있는 파일을 사용)

하지만, Named 파이프 역시 읽기/쓰기 동시에 불가능함. 따라서 전이중 통신을 위해서는 익명 파이프처럼 2개를 만들어야 가능

3. Message Queue

입출력 방식은 Named 파이프와 동일함

다른점은 메시지 큐는 파이프처럼 데이터의 흐름이 아니라 메모리 공간이다.

사용할 데이터에 번호를 붙이면서 여러 프로세스가 동시에 데이터를 쉽게 다룰 수 있다.

4. 공유 메모리

파이프, 메시지 큐가 통신을 이용한 설비라면, 공유 메모리는 데이터 자체를 공유하도록 지원하는 설비다.

프로세스의 메모리 영역은 독립적으로 가지며 다른 프로세스가 접근하지 못하도록 반드시 보호되야한다. 하지만 다른 프로세스가 데이터를 사용하도록 해야하는 상황도 필요할 것이다. 파이프를 이용해 통신을 통해 데이터 전달도 가능하지만, 스레드처럼 메모리를 공유하도록 해준다면 더욱 편할 것이다.

공유 메모리는 프로세스간 메모리 영역을 공유해서 사용할 수 있도록 허용해준다.

프로세스가 공유 메모리 할당을 커널에 요청하면, 커널은 해당 프로세스에 메모리 공간을 할당해주고 이후 모든 프로세스는 해당 메모리 영역에 접근할 수 있게 된다.

중개자 없이 곧바로 메모리에 접근할 수 있어서 IPC 중에 가장 빠르게 작동함

5. 메모리 맵

공유 메모리처럼 메모리를 공유해준다. 메모리 맵은 열린 파일을 메모리에 맵핑시켜서 공유하는 방식이다. (즉 공유 매개체가 파일+메모리)

주로 파일로 대용량 데이터를 공유해야 할 때 사용한다.

6. 소켓

네트워크 소켓 통신을 통해 데이터를 공유한다.

클라이언트와 서버가 소켓을 통해서 통신하는 구조로, 원격에서 프로세스 간 데이터를 공유할 때 사용한다.

서버(bind, listen, accept), 클라이언트(connect)

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7. CPU 스케줄링(Scheduling)

1. 스케줄링

운영체제게가 프로세스들에게 CPU를 효율적으로 할당하기 위한 정책과 절차.
여러 프로세스가 동시에 실행될 때, 모든 프로세스가 CPU 작업을 공정하게 사용할 수 있도록 조정하는 절차

CPU를 잘 사용하기 위해 프로세스르 잘 배정하기

• 조건 : 오버헤드 ↓ / 사용률 ↑ / 기아 현상 ↓
• 목표
  1. Batch System : 가능하면 많은 일을 수행. 시간보단 처리량일 중요
  2. Interative System : 빠른 응답 시간, 적은 대기 시간
  3. Real-time System : 기한 맞추기

2. 선점/ 비선점 스케줄링

• 선점 : 현재 실행 중인 프로세스를 중단하고 다른 프로세스에게 CPU 할당 가능.
  • 우선순위가 더 높은 프로세스가 준비 상태가 되거나, 일정 시간이 지난 후 다른 프로세스에게 기회를 주기 위해
  • 처리시간 예측이 어려움
• 비선점 : 한번 CPU를 할당 받으면 프로세스 종료 or I/O 등의 이벤트가 있을 때까지 실행 보장
  • 현재 실행 중인 프로세스가 완전히 끝날 때까지 다른 프로세스는 CPU 사용할 수 없다.
  • 처리시간 예측 용이함

3. 프로세스 상태

• 선점 스케줄링 : Interrupt, I/O or Completion, I/O or Event Wait, Exit
• 비선점 스케줄링 : I/O or Event Wait, Exit

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프로세스 5가지 상태

1. 생성(New) : 프로세스의 처음 생성 상태
   • 준비상태로 전활할 준비
2. 준비(Ready) : 프로세스가 CPU를 할당받기 대기하는 상태
   • 필요한 자원을 할당받아 실행할 준비가 완료된 상태.
   • CPU를 할당받기 위해 Ready Queue 에 위치함
3. 실행(Running) : 프로세스가 CPU에 할당받아서 실행중인 상태
   • 선점형 스케줄링에는 실행중인 프로세스가 다른 프로세스에 의해 중단될 수 있으며, 이 경우 준비 상태로 돌아감
4. 대기(Waiting) : 프로세스가 입출력이나 이벤트를 기다리는 상태
   • 대기 상태의 프로세스는 해당 이벤트가 완료될 때까지 CPU를 사용할 수 없음.
5. 종료(Terminated) : 프로세스가 실행을 끝내고 종료한 상태
   • 할당된 자원을 모두 회수하고, 프로세스 테이블에서 해당 프로세스를 제거.

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프로세스 상태 전이

✔️ 승인(Admitted) : 프로세스 생성이 가능하여 승인됨.
✔️ 스케줄러 디스패치(Scheduler Dispatch) : 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나를 실행시킴
✔️ 인터럽트(Interrupt) : 예외, 입출력, 이벤트 등이 발생하여 현재 실행중인 프로세스를 준비 상태로 바꾸고, 해당 작업을 먼처 처리하는 것.
✔️ 입출력 또는 이벤트 대기(I/O or Event wait) : 실행 중인 프로세스가 입출력이나 이벤트를 처리해야 하는 경우, 입출력/이벤트가 모두 끝날 때까지 대기 상태로 만드는 것.
✔️ 입출력 또는 이벤트 완료(I/O or Event Completion) : 입출력/이벤트가 끝난 프로세스를 준비상태로 전환하여 스케줄러에 의해 선택될 수 있도록 만드는 것.

인터럽트, I/O or wait 차이

인터럽트는 운영 체제가 즉시 처리해야 하는 예외적인 상황이며, I/O or wait은 프로세스가 정상적인 흐름 중 필용한 자원을 기다리는 상황에서 발생함.

5. CPU 스케줄링 종류

비선점 스케줄링

1. FCFS(First Come First Served)

   • 큐에 도착한 순서대로 CPU 할당
   • 실행 시간이 짧은게 뒤로 가면 평균 대기 시간이 길어짐

2. SJF(Shortest Job First)

   • 수행시간이 가장 짧다고 판단되는 작업을 먼저 수행
   • FCFS 보다 평균 대기 시간이 감소, 짧은 작업에 유리

3. HRN(Hightest Response-ratio Next)

   • 우선순위를 계산하여 점유 불평등을 보완하는 방법(SJF 단점 보완)
   • 우선순위 = (대기시간 + 실행시간) / 실행시간

선점 스케줄링

1. Priority Scheduling

   • 정적/동적으로 우선순위를 부여하여 우선순위가 높은 순서대로 처리
   • 우선 순위가 낮은 프로세스가 무한정 기다리는 Starvation이 생길 수 있음
   • Aging 방법으로 Starvation 문제 해결 가능
     • Aging : 아무리 우선순위가 낮은 프로세스라도 오래 기다리면 우선순위를 높여준다.

2. Round Robin

   • 현대적인 CPU 스케줄링
   • 각 프로세스는 동일한 크기의 할당 시간(TIme Quantum)을 갖게 된다.
   • 할당 시간이 지나면 프로세스는 선점당하고 ready quere의 제일 뒤에 가서 다시 줄을 선다
   • CPU 사용시간이 랜덤한 프로세스들이 섞여 있을 경우에 효율적
   • 할당 시간(Time Quantum)이 크면 FCFS와 같게 되고, 작으면 문맥 교환(Context Switching) 잦아져 오버해드 증가.

3. Multilevel-Quete(다단계 큐)

   • 작업들을 여러 종류의 그룹으로 나누어 여러 개의 큐를 이용하는 기법
   • 우선순위가 낮은 큐들이 실행 못하는 걸 방지하고자 각 큐마다 다른 Time Quantum을 설정해주는 방식 사용
   • 우선순위가 높은 큐는 작은 TIme Quantum 할당. 우선순위가 낮은 큐는 큰 Tiem Quantum 할당

4. Multilevel-Feedback-Quete(다단계 피드백 큐)

   • 다단계 큐에서 자신의 Tune Quantum을 다 채운 프로세스는 밑으로 내려가고 자신의 Time Qyantum을 다 채우지 못한 프로세스는 원래 큐 그대로
   • 짧은 작업에 유리, 입출력 위주 작업에 우선권을 줌

5. CPU 스케줄링 척도

1. Response Time
   • 작업이 처음 실행되기까지 걸린 시간
2. Turnaround Time
   • 실행 시간과 대기 시간을 모두 합한 시간으로 작업이 완료될 때까지 걸린 시간

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8. 데드락(DeadLock, 교착 상태)

두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로 자원을 얻지 못해서 다음 처리를 하지 못하는 상태
무한히 다음 자원을 기다리게 되는 상태.
시스템적으로 한정된 자원을 여러 곳에서 사용하려고 할 때 발생.
ex) 외나무 다리에서 서로가 비켜주길 기다리는 경우

❗데드락이 일어나는 경우

프로세스 1과 2가 자원 1, 2를 모두 얻어야 한다고 가정해보자.

t1 : 프로세스 1이 자원 1을 얻음 / 프로세스 2가 자원 2를 얻음
t2 : 프로세스 1은 자원 2를 기다림 / 프로세스 2는 자원 1을 기다림

➡️ 현재 서로 원하는 자원이 상대방에 할당되어 있어서 두 프로세스는 무한정 wait 상태에 빠짐.
이것이 바로 DeadLock

✔️ 주로 발생하는 경우

멀티 프로그래밍 환경에서 한정된 자원을 얻기 위해 서로 경쟁하는 상황 발생
한 프로세스가 자원을 요청했을 때, 동시에 그 자원을 사용할 수 없는 상황이 발생할 수 있음. 이때 프로세스는 대기 상태에 드렁감
대기 상태로 들어간 프로세스들이 실행 상태로 변경될 수 없를 때 '교착 상태' 발생

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데드락(DeadLock) 발생 조건
"4가지모두 성립되야 데드락 발생"

1. 상호 배제(Mutual exclusion)

   • 자원은 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있음

2. 점유 대기(Hold and wait)

   • 최소한 하나의 자원을 점유하고 있으면서 다른 프로세스에 할당되어 사용하고 있는 자원을 추가로 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 존재해야 함

3. 비선점(No Preemption)

   • 다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때까지 강제로 빼앗을 수 없음

4. 순환대기(Circular wait)

   • 각 프로세스는 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 보유하고 있어야 함
   • 예로, 프로세스 A는 프로세스 B가 가진 자원을 요청하고, B는 C가 가진 지원을 요청하고, C는 A가 가진 자원을 요청하는 형태.

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데드락 처리

"교착 상태를 예방 및 회피"

1. 예방 : 교착 상태 발생 조건 중 하나를 제거하면서 해결한다 (자원낭비 심함)

   • 상호배제 부정 : 여러 프로세스가 공유 자원 사용
   • 점유대기 부정 : 프로세스 실행 전 모든 자원을 할당
   • 비선점 부정 : 점유중인 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 가진 자원 반납
   • 순환대기 부정 : 자원에 고유번호 할당 후 순서대로 자원 요구

2. 회피 : 교착 상태 발생 시 피해나가는 방법

   은행원 알고리즘

   • 은행에서 모든 고객의 요구가 충족되도록 현금을 할당하는데서 유래함
   • 프로세스가 자원을 요구할 때, 시스템은 자원을 할당한 후에도 안정 상태로 남아있게 되는지 사전에 검사하여 교착 상태 회피
   • 안정 상태면 자원 할당, 아니면 다른 프로세스들이 자원 해지까지 대기

"교착 상태를 탐지 및 회복피"

교착 상태가 되도록 허용한 다음 회복시키는 방법

1. 탐지 : 자원 할당 그래프를 통해 교착 상태를 탐지함
   • 자원 요청 시, 탐지 알고리즘을 실행시켜 그에 대한 오버헤드 발생함
2. 회복
   • 교착 상태 일으킨 프로세스를 종료하거나, 할당된 자원을 해제시켜 회복시키는 방법

프로세스 종료 방법

• 교착 상태의 프로세스를 모두 중지
• 교착 상태가 제거될 때까지 하나씩 프로세스 중지

자원 선점 방법

• 교착 상태의 프로세스가 점유하고 있는 자원을 선점해 다른 프로세스에게 할당 (해당 프로세스 일시정지 시킴)
• 우선 순위가 낮은 프로세스나 수행 횟수 적은 프로세스 위주로 프로세스 자원 선점