Process
본 글은 다음 강의를 들으며 정리한 내용입니다.
강의 정보 : 운영체제 / 이화여대 반효경
강의 링크
1. 프로세스의 개념
Process is a program in execution
1-1. 프로세스의 문맥 (context)
-
CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
- Program Counter
- 각종 register
-
프로세스의 주소 공간
- code, data, stack
-
프로세스 관련 커널 자료 구조
- PCB (Process Control Block)
- Kernel stack
2. 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)
-
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
프로세스 상태도
3. Process Control Block (PCB)
운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
다음의 구성 요소를 가진다 (구조체로 유지)
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(1) OS가 관리상 사용하는 정보
- Process state, Process ID
- scheduling information, priority
-
(2) CPU 수행 관련 하드웨어 값
- Program counter, registers
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(3) 메모리 관련
- code, data, stack의 위치 정보
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(4) 파일 관련
- Open file descriptors...
4. 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
System call이나 Interrupt 발생 시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님
(1)의 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save해야 하지만 문맥교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 큼 (ex. cache memory flush)
5. 프로세스를 스케줄링하기 위한 큐
-
Job queue
- 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
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Ready queue
- 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
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Device queues
- I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.
5-1. Ready Queue와 다양한 Device Queue
5-2. 프로세스 스케줄링 큐의 모습
6. 스케줄러 (Scheduler)
-
Long-term scheduler (장기 스케줄러 / 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)
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Short-term scheduler (단기 스케줄러 / CPU scheduler)
- 어떤 프로세스를 다음번에 running시킬지 결정
- 프로세스에 CPU를 주는 문제
- 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)
-
Medium-Term Scheduler (중기 스케줄러 / Swapper)
- 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
- 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
- degree of Multiprogramming을 제어
프로세스 상태 (suspended 포함)
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Running
- CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
-
Ready
- CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
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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
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Suspended (stopped) (중기 스케줄러에 의함)
- 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
- 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다.
- (예) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우(break key) 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킨 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
Blocked와 Suspended 차이점
Blocked : 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
Suspended : 외부에서 resume해 주어야 Active
프로세스 상태도 (suspended 포함)
7. Thread
A thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization
7-1. Tread의 구성
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program counter
-
register set
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stack space
7-2. Tread가 동료 thread와 공유하는 부분 (=task)
-
code section
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data section
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OS resources
전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.
7-3. Tread의 장점
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다중 스레드로 구성된 태스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked (waiting) 상태인 동안에도 동일한 테스크 내의 다른 스레드가 실행(running)되어 빠른 처리를 할 수 있다.
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동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.
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스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다. (CPU가 여러개 달린 컴퓨터에서만 가능)
7-4. Single and Multithreaded Processes
7-5. Thread의 장점2
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Responsiveness (응답성)
- (예) multi-threaded Web - if one thread is blocked(ex. network) another thread continues(ex. display) (일종의 비동기식 방법)
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Resource Sharing (자원 공유)
- n threads can share binary code, data, resource of the process
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Economy (경제성)
- creating & CPU switching thread (rather than a process)
- process를 하나 만드는 것은 overhead가 상당히 크지만 process 안에 thread를 하나 추가하는 것은 overhead가 그리 크지 않음
- Solaris의 경우 위 두 가지 overhead가 각각 30배, 5배
- 하나의 process에서 다른 process로 넘어가는 것 즉, 문맥 교환은 overhead가 상당히 크지만 process 내부에서 thread간의 CPU switch는 비교적 간단함
- creating & CPU switching thread (rather than a process)
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Utilization of MP(multi-processor) Architectures (CPU가 여러 개 있을 때 얻을 수 있는 장점)
- each thread may be running in parallel on a different processor
7-6. Implemetation of Threads (스레드를 구현할 수 있는 방법)
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Some are supported by kernel ➔ Kernel Threads (운영체제 커널이 여러 개의 스레드가 존재한다는 사실을 알고 있음)
- Windows 95/98/NT
- Solaris
- Digital UNIX, Mach
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Others are supported by library ➔ User Threads (프로세스 안에 여러 개의 스레드가 존재한다는 사실을 운영체제가 모름)
- POSIX Pthreads
- Mach C-threads
- Solaris threads
-
Some are real-time threads
