📌[OS] Process

📖 01. 프로세스의 개념

• 3가지를 통해 알 수 있다.

• 프로그램이 태어나서 쭉 실행이 되다가 언젠가 종료가 될텐데 문맥이라는 것은 중간을 딱 짤라놓고 봤을 때 이 프로그램을 무엇을 어떻게 실행했는지 그리고 현재 시점이 어떠한 상태에 있는지를 정확하게 나타내기 위해서 사용되는 개념이 문맥이다

• 프로세스라는 것은 실행이 시작되면 code, data, stack으로 이루어진 프로세스만의 독자적인 주소 공간을 생성한다. 이 프로세스가 CPU를 잡게되면 프로그램 카운터라는 register가 이 프로세스의 코드 어느 부분을 가리키고 있고 매순간 instruction을 하나씩 읽어서 CPU안에 register로 불러온다. register에다가 어떠한 값을 넣고 산술연산장치에 의해서 연산을 하고 그다음 그 결과를 register에 저장하거나 또는 바깥에 메모리에다가 저장한다. 이러한 과정중 프로세서는 도대체 어디까지 와 있는가 그것을 규명하는데 필요한 요소가 프로세스 문맥이다

• 그래서 현재 시점의 프로세스의 문맥을 나타내기 위해서는 프로그램 카운터가 어디를 가리키고 있는가 코드를 어디까지 실행했는가를 알아야 하고 프로세스 메모리에 어떠한 내용을 담고 있는가 만약에, 코드가 실행되면서 함수를 실행했다면 스택에 무엇이 얼마만큼 쌓여있을 것인가, 데이터 영역의 변수의 값은 얼마인지, 지금 레지스터에 저장된 값은 무엇인지, 어느 instruction까지 실행했는가 그런 모든 요소를 알아야지만 현재 이 프로세스의 상태를 나타낼 수 있다.

• 이처럼 프로세스 상태를 나타낼 때 필요한 모든것을 프로세스의 문맥이라고 부른다.

• 운영체제의 역할 중 하나가 지금 실행되고 있는 프로세스를 관리하는 것이다. 프로세스가 하나 생길 때마다 운영체제는 그 프로세스를 관리하기 위해서 자신의 데이터 영역에 PCB라는 자료구조를 놓는다. -> CPU를 얼마나 줘야할지 메모리를 얼마나 줘야할지, 나쁜짓을 하고 있지는 않는지 관리하는 역할을 하고 있다.

• 각 프로세스가 자기 자신의 코드를 실행 중일때는 만약 함수호출이 이루어진다면 본인의 스택에다가 함수 호출한다음 리턴하고 관련된 정보를 쌓아놓게 된다. 근데 프로세스가 실행이 되다가 본인이 할 수 없는 일을 운영체제에 요청할 수 있다(system call)
  -> system call을 하게 되면 program counter가 커널 주소공간의 code를 가리키게 된다.
  -> 커널은 코드를 실행한다. 커널도 함수들로 이루어져 있고 함수호출이 이루어지면 스택에다가 관련된 정보들을 쌓아놓는다. 그런데 커널이라는 것은 여러 프로세스들이 공유하는 코드라고 할 수 있다. 즉, 어떤 프로세스든 간에 운영체제한테 무언가를 요청할 때 커널의 코드를 실행하게 되고 커널이 누구한테 요청을 받고 실행을 하는지 매번 다르다. 커널에서 함수 호출이 이루어져서 스택에다가 정보를 쌓을 때는 프로세스 별로 커널을 어떤 프로세스가 호출했는지에 따라서 스택을 별도로 두고 있다. 이렇게 해야만 정보가 꼬이는 것을 방지 할 수 있다. 따라서, 프로세스마다 커널 스택을 별도로 두고 있다.

• 현대 컴퓨터 시스템에서는 타임 셰어링 멀티테스킹 즉, 다양한 프로세스들이 실행이 되기 때문에 CPU가 한 프로세스한테만 있는 것이 아니라 여러 프로세스에 왔다갔다 한다. 현재 문맥을 알지 못하면 다음번 CPU를 잡았을 때 앞부분부터 다시 시작 해야한다. 도대체 어디 시점까지 실행했는지 알아야 다음 instruction을 실행 할 수 있다.

📖 02. 프로세스의 상태 (Process State)

• 프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다.
  • Running
    -> CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
  • Ready
    -> CPU만을 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
  • 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
  • New: 프로세스가 생성중인 상태
  • Terminated: 수행(execution)이 끝난 상태

• 컴퓨터 안에 CPU하나 밖에 없다.
  -> CPU를 잡고 있는 프로세스는 하나밖에 없다.
  -> CPU를 잡고 instruction을 수행하고 있는 상태를 Running이라고 한다.
• CPU가 하나밖에 없기 때문에 기다려야 하는 프로세스들이 존재할 것이다.
  -> 그러한 프로세스들의 상태를 Ready상태라고 한다.
  -> 모든 조건이 만족하고 CPU제어권만 받으면 바로 실행할 수 있는 상태를 의미한다.
• CPU를 줘도 instruction을 실행하지 못하는 상태가 있다. 오래걸리는 I/O작업을 한다던지, 디스크에서 무엇을 읽어와야 하는데 그 읽어온 내용을 보고 나서야 다음 instruction을 실행할 수 있는 그런 프로세스가 있다고 한다면 즉 CPU를 얻어봐야 당장 instruction수행이 불가능한 그런 프로세스인 상태를 Blocked (wait, sleep)상태라고 한다.
• 메모리는 공유해서 사용하는 것이기 때문에 프로그램의 모든 데이터를 메모리에 올려놓고 사용하지 않는다. 만약에 어떤 프로그램의 코드를 실행하려고 했는데 code부분이 메모리에 올라와 있지 않고 디스크에 내려가 있다면 CPU를 줘봤자 사용할 수 없는 상태이다.

📖 03. 프로세스 상태도

• 처음에 프로세스가 생성중인 상태고 (new)
• 프로세스가 생성이 되면 ready상태가 된다. 이때 최소한의 메모리는 가지고 있어야 한다. 즉, 당장 CPU에서 instruction에 필요한 부분이 있어야 한다.
  -> CPU를 얻게 되면 running상태가 된다.
  -> running상태에서 두가지로 나뉘는데
  -> 하나는 자진해서 CPU를 내놓는 것 : I/O같이 시간이 오래 걸리서 CPU를 가지고 있어봐야 instruction이 불가능하다.
  -> blocked 상태로 넘어간다.
  -> 다른것은 나는 CPU를 계속 사용하고 싶은데 Timer interrupt가 들어와서 ready상태로 전환
  -> 왔다갔다 하다가 본인의 일이 끝나면 terminated상태가 된다.

📖 04. 프로세스의 상태

• 하나의 프로세스가 CPU안에서 Running을 하고 있다가 interrupt가 발생하면 CPU를 뺏기고 Ready queue 맨 뒤로 간다. 그 다음 프로세스가 CPU를 얻는다.

• CPU에서 Running을 하고 있다가 Disk에서 무언가를 읽어와야 한다면?
  -> CPU안에 있던 프로세스는 blocked로 바뀌면서 디스크의 서비스를 받는 곳에 프로세스가 줄을 서게 된다.
  -> 디스크는 요청이 들어온 것들을 컨트롤러의 지휘하에 순서대로 처리한다.
  -> 만약 디스크에서 들어오는 작업이 끝나면 디스크 컨트롤러가 CPU한테 interrupt를 건다.
  -> CPU는 어떠한 프로세스를 실행하고 있었겠지만 인터럽트가 들어왔기 때문에 하던 작업을 잠시 멈추고 CPU제어권이 운영체제(커널)에게 넘어가게 된다.
  -> 아까 I/O를 요청했던 프로세스의 I/O작업이 끝났다. 운영체제는 그 프로세스의 메모리 영역에 해당하는 데이터를 넘겨주는 역할을 하고 프로세스의 상태를 blocked에서 Ready로 바꿔서 CPU를 얻을 수 있는 작업을 한다.

• 하드웨어의 서비스를 기다리는 경우도 있지만 자원 중에는 공유데이터라는 소프트웨어를 기다리는 경우도 존재한다. 공유데이터를 프로세스가 동시에 접근하면 즉, 하나의 프로세스가 공유데이터를 접근하는 도중에 CPU의 제어권을 뺏기고 다른 프로세스가 공유데이터를 접근하면 일관성이 깨질 수 있다. 따라서 어떠한 프로세스가 공유데이터에 접근하고 있으면 다른 프로세스가 접근하고 있을 때 막을 필요가 있다. -> 원래 공유데이터에 접근하고 있던 프로세스가 데이터를 반환하고 있지 않는다면 공유데이터를 필요로 하는 다른 프로세스는 queue에 가서 기다려야 한다.(blocked)

• I/O queue든 Resource queue든 작업이 끝나면 Ready queue에 줄서게 된다.

• 각 디바이스에 존재하는 queue라는 것은 운영체제 커널이 본인의 데이터 영역에 자료구조로 queue를 만들어 놓고 프로세스의 상태를 바꿔가면서 Ready상태에 있던 프로세스들은 CPU를 주고 blocked상태에 있는 프로세스들한테는 CPU를 주지 않고, 이런식으로 운영을 한다.

📖 05. Process Control Block (PCB)

• 그래서 운영체제 커널이 각 프로세스마다 그 프로세스를 관리하기 위해서 운영체제가 자신의 데이터 영역에 두고있는 PCB라는 것이 존재하는데 거기를 보면 다음과 같이 구성이 되어있다.

• PCB
  • 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
  • 다음의 구성 요소를 가진다 (구조체로 유지)
    -> (1) OS가 관리상 사용하는 정보
    • Process state, Process ID
    • scheduling information, priority
    -> (2) CPU 수행 관련 하드웨어 값
    • Program counter, register
    -> (3) 메모리 관련
    • Code, data, stack의 위치 정보
    -> (4) 파일 관련
    • Open file descriptors...

• PCB를 구성하는 것도 4가지로 나누었다.
  첫번째는 운영체제가 관리상 사용하는 정보가 있다. 프로세스 하나당 하나의 PCB가 존재한다. 프로세스 상태 런닝이야 블럭드냐 등, 프로세스마다 아이디를 줘서 운영체제가 관리하고 있다.
  두번째 프로세스의 문맥을 파악하기 위한 정보들이 있다. CPU에다가 어떤 레지스터값들을 넣어서 실행하고 있었는가
  세번째 메모리 관련된 문맥이다. 코드 데이터 스택이 메모리 어디에 위치해 있는가
  네번째 프로세스가 사용하고 있는 즉 오픈하고 있는 파일이 무엇이 있는지 그 외 리소스와 관련된 정보들
  이 네가지가 PCB의 구성을 담당하고 있다.

📖 06. 문맥 교환 (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

-> 현재 CPU에 존재하는 정보를 그대로 PCB에 저장한다. 이때 PCB는 커널 data영역에 존재하며 커널이 관리(Context Switch 등)를 하기 위해 커널 본인의 data 영역에 있음!

• CPU가 굉장히 빠른 자원이기 때문에 어떤 프로세스가 CPU를 장악해서 계속 사용하는 것이 아니라 짧은 시간 간격으로 CPU를 얻었다가 뺏기는 과정을 반복하게 된다. CPU를 뺏겼다가 다시 얻었을 때 처음부터 다시 실행하는 것이 아니라 뺏기던 시점의 문맥을 기억해 놨다가 그 시점부터 계속해서 실행 할 수 있게 하는 매커니즘이 필요하다.

• 타이머가 됐든 프로세스가 CPU를 빼앗겨야 된다면 CPU안에 정보를 그냥 지워버리는 것이 아니라 다음에 CPU를 얻었을 때 해당 시점부터 재개하기 위해서 CPU의 레지스터, 프로그램 카운터, 메모리 맵의 값을 PCB에 저장을 한다.

• 복원 할 때 PCB에서 데이터를 가져오고 CPU를 넘겨준다.

• 사용자 프로세스에서 커널로 CPU제어권이 넘어가는 것을 Context Switch라고 부르지 않는다.
  -> 사용자 -> 사용자 프로세스로 넘어가는 것을 Context Switch라고 한다.

• 문맥교환이 일어나면 보통 캐시 메모리를 모두 지워버려야 한다.
  -> cache memory flush

📖 07. 프로세스를 스케줄링 하기 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.

📖 08. Ready Queue와 다양한 Device Queue

• 사실은 queue에 프로세스가 줄서는 것이 아니라 PCB가 줄 서 있음!
  -> PCB에 포인터가 있기 때문에 줄 세울 수 있다.

📖 09. 프로세스 스케줄링 큐의 모습

📖 10. 스케줄러 (Scheduler)

• Long-term scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
  • 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 CPU(및 각종 자원)를 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

• 스케줄러는 순서를 정해주는 것을 의미함.

• 프로세스는 new에서 잠시 머물렀다가 ready로 넘어가는데 넘어가는 도중 어떤일이 발생하는냐
  -> memory에 올라가는 것을 admited한다. 즉, admited되어야 ready상태에 올라 갈 수 있다.
  -> 장기 스케줄러가 관여함

• 장기 스케줄러는 시작 프로세스가 ready로 보낼지 말지 결정
  -> 애초에 처음부터 조절

• Multiprogramming : 메모리에 여러 프로세스가 올라가 있는 것

• degree of Multiprogramming : 메모리 위에 있는 프로그램 수

• 메모리에 적당한 프로그램이 올라가 있는 것이 성능상 중요한데 장기 스케줄러가 이를 적절히 제어해줌
  -> 메모리에 프로그램이 하나밖에 없으면 그 프로그램이 CPU를 사용하다가 I/O를 하게되면 CPU는 놀게된다.
  -> 너무 많은 프로그램이 메모리에 올라가게 되면 프로그램의 꼭 필요한 부분이 메모리에 올라가지 않을 수 있기 때문에 성능에 좋지 않다.

• 그러나 타임 셰어링 시스템에는 장기 스케줄러가 없고 무조건 레디상태가 된다.
  -> 그렇다면 우리가 사용하는 시스템은 degree of Multiprogramming을 누가 조절하느냐?
  -> 중기 스케줄러가 관리!

• 지금 시스템에는 시작되면 일단 메모리는 준다.
  -> 동시에 너무 많은 프로그램이 올라가게 되면 문제가 생긴다.
  -> 그런것을 조절하기 위해 중기 스케줄러가 존재한다.
  -> 일부 프로세스를 골라 메모리에서 통째로 쫓아낸다.
  -> degree of Multiprogramming 조절

• 중기 스케줄러 때문에 하나의 프로세스 상태가 추가가 되었다.
  -> Suspended (stoped)
• 외부적인 요인

1. 중기 스케줄러
2. 사람
   -> 재개하려면 사람이 resume해주어야 함

• 사용자 프로세스가 running을 하다가 운영체제에 CPU를 넘겨준다고 해서 운영체제가 running한다고 하지 않고 사용자 프로세스가 running한다고 하는것을 유념해야 한다.

• 외부에서 제어하여 프로세스가 언 상태를 inactive상태라고 하며 사용자의 의해 active상태로 바꾸어야 한다.

• blocked상태에서 swap되면 Suspended Blocked상태가, Ready상태에서 swap되면 Suspended Ready상태가 된다.

• Swap이 되면 메모리를 잃어버리는 것이기 때문에 CPU가 작업을 할 순 없지만 blocked(I/O)상태에서 Swap이 된다면 하면 Suspended Blocked가 되더라도 I/O작업을 끝내고 Suspended Ready상태로 변할 수 있다.

[출처] 반효경 교수님 강의