프로세스

✔️ 프로세스 정의

실행중인 프로그램
하드디스크에 있는 명령어 집합인 프로그램이 메모리에 적재될 때, 프로그램이 프로세스가 된다.

프로그램, 프로세스는 다른 것이다.

프로그램은 명령어 집합이 디스크에 저장된 실행 파일이고, 수동적인 특성을 가진다.

프로세스는 다음에 실행할 명령어를 지정하는 프로그램 카운터와 관련 자원 집합을 가지는, 능동적인 특성을 가진다.

프로세스는 메모리에서 아래와 같은 구조로 저장된다.

텍스트 섹션: 프로그램 코드 공간
스택: 함수의 매개변수, 복귀 주소, 로컬 변수와 같은 임시적인 데이터를 저장하는 공간
데이터 섹션: 전역 변수들을 저장하는 공간
힙: 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리 공간

✔️ 상태

프로세스는 실행되면서 상태가 변한다.
프로세스는 아래 상태들 중 하나에 있게 된다.

New: 프로세스가 생성 중이다.
Running: 명령어들이 실행되고 있다.
Ready: 프로세스가 CPU에 할당되기를 기다린다.
Waiting: 프로세스가 어떤 사건(입출력 또는 신호)이 일어나기를 기다린다.
Terminated: 프로세스의 실행(명령어)이 종료되었다.

운영체제마다 이름들이 임의적이지만 의미는 비슷하다.

CPU는 어느 한 순간에는 오직 하나의 프로세스만 실행할 수 있음을 명심하자. 즉, 1개의 CPU에 1개의 코어는 하나의 프로세스만 실행할 수 있다.

✔️ PCB(Process Control Block)

메모리 상에서 프로세스는 코드,데이터,힙,스택영역으로 구성되어 있다는 것은 알겠다.

그러면 OS가 프로세스를 어떤식으로 관리를 할까?

OS는 프로세스를 PCB(Process Control block)이라는 자료구조를 사용하여 관리한다.

프로그램 카운터: 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
CPU 레지스터: 컨텍스트 스위칭이 발생할 때 여기에 저장된 정보로 Switching 한다.
CPU 스케줄링 정보:
- 프로세스의 우선순위
- 스케쥴링 큐에 대한 포인터
메모리 한계:
- 기준 레지스터 값
- 한계 레지스터 값
입출력 상태 정보
스레드에 대한 정보 등등

즉, PCB는 프로세스마다 달라지는 모든 정보를 저장하는 자료구조이다.

언제 생성

프로그램이 메모리에 적재되면 운영체제가 해당 프로세스에 대한 PCB를 만들고 초기화한다.

어디에 위치

일반적으로 PCB는 운영 체제의 커널 영역에 위치한다.
- 커널 영역에 저장되어야 운영체제가 직접 접근하여 PCB 정보를 읽고 업데이트할 수 있기 때문이다.

언제 삭제

프로세스가 종료되면 PCB가 사용하던 메모리와 자원을 해제한다.

프로세스 스케줄링

Multi Programming의 목적

CPU 효율을 높이기 위해 Multi Programming 한다.

Multi Programming은 항상 프로세스가 실행될 수 있도록 메모리에 여러 프로세스를 할당한다.

시분할의 목적

프로세스가 실행되는 동안 사용자가 상호 작용할 수 있도록 하기 위해서이다.

시분할 프로그래밍은 프로세스를 time-slice 기준으로 CPU를 빈번하게 할당하는 것이다.

모든 목적은 CPU 효율을 높이기 위해서이다.

그럴려면 현재 실행하고 있는 프로세스 다음에 실행할 프로세스를 선택하는 스케쥴링 과정이 필요하다.

그 역할을 하는 것이 프로세스 스케쥴러이다.

프로세스 스케쥴러는 운영체제의 소프트웨어 컴포넌트이다.
커널 영역에 구현되어 있다.

✔️ 스케쥴링 큐

프로세스가 시스템에 들어오면, 큐에 위치하게 된다.
CPU를 할당받고 어느정도 실행을 하다가 인터럽트 되거나, I/O를 요청할 때 등등 프로세스 상태에 따라 위치하는 큐가 달라진다.

큐는 주로 운영 체제의 커널 영역에 위치한다.

Ready Queue:
- 스케줄러: CPU 스케줄러
- 실행 가능한(CPU 할당을 받을 수 있는) 프로세스들이 대기하는 큐이다.
- CPU를 할당받을 때까지 Ready 큐에 위치한다.
- 커널 내부의 스케줄러에서 관리하고, OS마다 스케줄러 알고리즘은 다르다.
I/O Waiting Queue
- 스케줄러: I/O 스케줄러
- I/O 작업을 대기하는 프로세스들이 대기하는 큐
- I/O 디바이스마다 별도의 디바이스 큐가 있다.
- 디바이스 큐는 디바이스 컨트롤러 또는 드라이버에 의해 관리된다.
- 일반적으로 커널 영역에 위치한다.
- 입출력 작업이 완료되면 입출력 관리자에 의해 대기 큐에서 준비 큐로 이동한다.

✔️ 스케쥴러

프로세스는 일생 동안에 다양한 스케줄링 큐들 사이를 이주한다.

스케줄링 목적을 위해서 프로세스들은 큐에서 반드시 선택되어야 하고, 해당 역할은 스케줄러가 한다.

OS에서 스케줄러는 크게 3가지로 볼 수 있다. 장기,중기,단기 스케줄러로 구분한다.

스케줄러 간 차이점은 실행 빈도에 있다.

장기 스케줄러(Job Scheduler)

메모리에 적재할 수 있는 프로그램보다 더 많은 프로그램이 실행되려고할 때, 메모리에 적재될 프로세스를 스케줄링한다.
스케줄링 빈도수가 적다.
장기 스케줄러는 멀티프로그래밍 정도(메모리에 있는 프로세스의 수)를 제어한다.
I/O Bound, CPU Bound 프로세스를 혼합해서 선택하는것이 중요하다.
한 쪽으로 치우쳐진 구조이면, 장치를 사용하지 않거나, CPU 효율이 떨어지거나 시스템 균형을 잃게 된다.

중기 스케줄러

메모리에서 CPU 할당 경쟁을 하는 프로세스들을 제거함으로써 다중 프로그래밍의 정도를 완화하도록 스케줄링한다.

단기 스케줄러(CPU Scheduler)

레디큐에서 실행대기 중인 프로세스를 스케줄링한다.

프로세스 일생
1. New : 프로그램이 메모리에 적재되면 운영체제는 해당 프로세스의 PCB를 생성하고 초기화한다.
2. Ready :Ready Queue에서 CPU를 할당받을 때까지 대기한다.
3. Running : CPU를 할당받아 명령어를 수행한다.
4. 수행하는 도중에 아래와 같은 상황이 발생한다.

인터럽트/트랩 발생

I/O 요청

Time Slice Expired

자식 프로세스 생성 후 대기

종료

각 상황에 따라 자원 반납(terminated) 혹은 Ready Queue(Ready), Waiting Queue(waiting)에서 대기한다.

프로세스 연산

✔️ 프로세스 구조

프로세스는 트리 구조로 구성된다.
프로세스를 생성하는 프로세스를 부모 프로세스라고 부르고, 새로운 프로세스는 자식 프로세스이다.
운영체제는 프로세스를 PID(프로세스에게 할당 된 고유한 ID)로 구분한다.
- 식별자는 보통 정수이고, 고유하다.

pid=1 인 init 프로세스가 모든 사용자 프로세스의 루트 부모 프로세스 역할을 수행한다.
시스템이 부팅되면 init 프로세스가 다양한 사용자 프로세스를 생성한다.
- kthread: 커널을 대신하여 작업을 수행할 추가적인 프로세스를 생성하는 책임을 진다. 위 예제에서 추가 프로세스는 khelper,pdflush 프로세스이다.
- sshd: ssh를 사용하여 시스템에 접속하는 클라이언트를 관리하는 책임이 있다.

✔️ 프로세스 생성

자식 프로세스의 자원 할당

일반적으로 프로세스가 자식 프로세스를 생성할 때, 자식 프로세스는 자원을 필요로 한다.

자식 프로세스는 운영체제로부터 직접 얻거나, 부모 프로세스가 가진 자원의 부분 집합만을 사용하도록 제한될 수 있다.
부모 프로세스는 자원을 분할하여 자식 프로세스들에게 나누어 주거나, 메모리나 파일과 같은 몇몇 자원들은 자식 프로세스들과 같이 사용하게 할 수도 있다.

부모 프로세스 실행 방식

Asynchronous: 부모는 자식과 병행하게 실행을 계속한다.
Synchronous: 일부 또는 모든 자식이 실행을 종료할 때 까지 기다린다.

자식 프로세스의 메모리 공간

부모 프로세스의 복사본(부모와 똑같은 프로그램과 데이터를 가짐)
- EX) fork() 시스템콜
- 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성할 때, 부모 프로세스의 코드, 데이터, 힙, 스택 영역은 자식 프로세스에게 복제된다.
자식 프로세스는 자신에게 적재될 새로운 프로그램을 갖고 있는 경우
- EX) exec() 시스템콜
- 생성된 자식 프로세스의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 초기화한다.

자식 프로세스 생성

자식 프로세스가 생성될때 부모 프로세스의 PCB를 기반으로 자식 프로세스 PCB가 생성되고, 자식 프로세스만의 메모리 공간을 할당받아 사용한다.

즉, 부모 프로세스와 자식 프로세스 간의 메모리를 공유하지 않는다. 그러나, PCB 영역은 부모 프로세스와 자식 프로세스 간에 일부 정보를 공유할 수도 있다.

자식 프로세스는 열린 파일과 같은 자원뿐 아니라 특권과 스케줄링 속성을 부모 프로세스로 부터 상속받는다.

주소 복사 방식

복사는 대부분 가상 메모리를 통해 이루어지며, 실제로 데이터를 복사하는 것이 아닌 페이지 테이블등을 조작하여 가상 주소 공간을 공유한다.

이를 Copy-on-write(복사 온라인)이라고 한다.

복사 온라인 기법은 효율적인 자원 관리를 위해 사용되는 메모리 관리 기법 중 하나이다.

✔️ 프로세스 종료

자식 프로세스는 exit() 시스템콜을 사용하여 운영체제에게 자신의 삭제를 요청하여 종료된다.
이 시점에서 프로세스는 자신의 부모 프로세스에게(wait 시스템콜을 통해) 상태값(= 통상 정수값)을 반환할 수 있다.
- 물리 메모리와 가상 메모리, 열린 파일, 입출력 버퍼를 포함한 프로세스의 모든 자원이 운영체제로 반환된다.

자식 프로세스 종료

부모 프로세스는 여러 가지 이유로 자식 프로세스의 실행을 종료할 수 있다.

자식이 자신에게 할당된 자원을 초과하여 사용할 경우
자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요 없을 경우
부모가 exit를 하는데, 운영체제는 부모가 exit한 후에 자식이 실행을 계속하는 것을 허용하지 않을 경우
- 이와 같은 경우 프로세스가 종료되면 그로부터 비롯된 모든 자식 프로세스들도 종료되어야 한다. 이를 연쇄식 종료라고 한다.
- 이 작업은 운영체제가 시행한다.

✔️ 좀비 프로세스

프로세스가 종료되면 사용하던 자원은 운영체제가 되찾아 간다.
그러나 프로세스의 종료 상태가 저장되는 프로세스 테이블의 해당 항목은 부모 프로세스가 wait()를 호출할 때까지 남아 있게 된다.
종료되었지만 부모 프로세스가 아직 wait()를 호출을 하지 않은 프로세스를 좀비 프로세스라고 한다.
종료하게 되면 모든 프로세스는 좀비 상태가 되지만 아주 짧은 시간 동안만 머무른다.
부모가 wait()를 호출하면 좀비 프로세스의 프로세스 식별자와 프로세스 테이블의 해당 항목이 운영체제에게 반환된다.

✔️ 고아 프로세스

부모 프로세스가 자식 프로세스가 종료되기 전에 종료되었을 때 자식 프로세스는 고아 프로세스가 된다.
즉, 부모 프로세스가 wait()를 호출하는 대신 종료한다면 이 상황에 처한 자식 프로세스를 고아 프로세스라고 한다.
Linux와 UNIX는 고아 프로세스의 새로운 부모 프로세스를 init 프로세스를 지정함으로써 이 문제를 해결한다.
init 프로세스는 주기적으로 wait()를 호출하여 고아 프로세스의 종료 상태를 수집하고 프로세스 식별자와 프로세스 테이블 항목을 OS에게 반환한다.

프로세스 간 통신

✔️ 프로세스 간 통신이란

서로 다른 프로세스 간에 데이터를 공유할 때 두 프로세스는 통신한다고 한다.
프로세스 간 통신 방법에는 2가지 통신방식이 있다.
- 공유 메모리
- 메시지 전달
많은 시스템들이 두가지를 모두 구현한다.

✔️ 공유 메모리

공유 메모리 영역을 구축하여 프로세스들은 그 영역에 데이터를 읽고 씀으로써 데이터를 공유한다.
- 공유 메모리를 구축할 때만 시스템콜 호출이 필요하다.
- 공유 메모리 영역이 구축되면 모든 접근은 일반적인 메모리 접근으로 취급되어 커널의 도움이 필요없다.
통상 공유 메모리 영역은 공유 메모리 세그먼트를 생성하는 프로세스의 주소 공간에 위치한다.
- 통신하는 다른 프로세스들은 이 세그먼트를 자신의 주소 공간에 추가하여 통신한다.
- 일반적으로 OS는 한 프로세스가 다른 프로세스의 메모리에 접근하는 것을 금지한다.
공유 메모리에 접근하고 조작하는 코드는 프로그래머에 의해 명시적으로 작성되어야 한다.
- 데이터 형식과 위치는 프로세스들에 의해 결정되며 운영체제의 소관이 아니다.
- 프로세스들은 동기화 이슈를 책임져야 한다.
생산자-소비자 문제는 공유 메모리를 통해 해결할 수 있다.
- 공유 메모리에 버퍼를 넣고, 생산자는 버퍼에 데이터를 채워 놓고, 소비자는 버퍼에서 데이터를 소비한다.
- 생산자와 소비자는 반드시 동기화되어야 한다.

✔️ 메시지 전달

동일한 주소 공간을 공유하지 않고도 프로세스들이 데이터를 공유하고 동기화할 수 있도록 운영체제가 메시지 전달 수단을 제공한다.
- 통신하는 프로세스들이 다른 호스트에 존재하는 분산 환경에서 유용하다.
메세지 전달은 최소한 두가지 연산을 제공해야 한다.
- send(message), receive(message)

직접/간접 통신

직접 통신(통신의 수신자 또는 송신자의 이름을 명시하여 통신하는 방법)
- send(Q,message) , receive(P,message)
- 통신을 원하는 프로세스 쌍들의 링크가 자동적으로 구축된다.
- 링크는 정확히 두 프로세스들 사이에만 구축된다.
- 통신하는 프로세스들의 각 쌍 사이에는 정확하게 하나의 링크만 존재한다.

간접 통신(메시지들은 메일박스(or 포트)로 송신되고, 수신하여 통신하는 방법)
- send(A,message) , receive(A,message)
- 각 메일박스는 고유의 id를 가진다.
- 프로세스는 다수의 메일 박스를 통해 다른 프로세스들과 통신할 수 있다.
- 한 쌍의 프로세스들 사이의 링크는 이들 프로세스가 공유 메일박스를 가질 때만 구축된다.
- 링크는 두 개 이상의 프로세스들과 연관될 수 있다.

동기/비동기 통신

메시지 전달은 send(message), receive(message) 연산을 제공해야 한다고 위에서 언급하였다.
send(message), receive(message)을 어떻게 구현하는데 있어서 Blocking, Non-blocking 상태로 나뉠 수 있다.

Send
- Blocking: 송신 프로세스는 메시지가 수신 프로세스 또는 메일박스에 수신될 때까지 Blocking 된다
- Non-blocking: 송신 프로세스는 메시지를 송신하고 작업을 계속한다.
Receive
- Blocking: 수신 프로세스는 메시지가 도착할 때까지 Blocking 된다.
- Non-blocking: 수신 프로세스는 유효한 메시지를 받거나 null을 받는다.

send(), receive() 가 모두 동기식으로 동작하면 Rendezvous를 이루게 된다.

✔️ 공유 메모리 VS 메시지 전달

속도
- 메시지 전달은 시스템콜을 사용하여 구현되므로 커널 간섭 등의 부가적인 시간 소비 작업들이 필요하기 때문에 공유 메모리 모델이 메시지 전달보다 빠르다.
- 공유 메모리 시스템에서는 공유 메모리 영역을 구축할 때만 시스템 호출이 필요하다.
구현
- 분산 시스템에서 메시지 전달이 공유 메모리보다 구현하기 쉽다.
- 메시지 전달은 충돌을 회피할 필요가 없기 때문에 적은 양의 데이터를 교환하는데 유용하다.
성능
- 많은 코어를 가진 시스템에서 메시지 전달이 공유 메모리보다 더 나은 성능을 보인다.
- 공유 메모리는 공유 데이터가 여러 캐시 사이에서 이주하기 때문에 발생하는 캐시 일관성 문제로 인하여 성능 저하가 발생한다.

✔️ 파이프

파이프는 초기 UNIX 시스템에서 제공하는 IPC 기법 중 하나이다.
파이프를 구현하기 위해서는 4가지 이슈를 고려해야 한다.
- 단방향 or 양방향 통신
- 양방향이라면 반이중 전송(한 순간에 한 방향 전송만 가능) or 전이중 전송(동시에 양방향 데이터 전송 가능)
- 두 프로세스 간에 부모-자식과 같은 특정 관계가 존재해야만 하는가?
- 네트워크를 통해 통신이 가능한가?

일반 파이프(Ordinary Pipes)

단방향 통신, 반이중 전송
- 양방향 통신이 필요하다면 두 개의 파이프를 사용해야 한다.
부모-자식 간의 통신
- 일반적으로 부모 프로세스가 파이프를 생성하여 자식 프로세스와 통신한다.
- 일반 파이프는 파이프를 생성한 프로세스 이외에는 접근할 수 없다.
  - 자식 프로세스는 열린 파일을 부모로부터 상속받기 때문에 자식 프로세스는 부모로부터 파이프를 상속받는다.
일반 파이프는 오로지 프로세스들이 서로 통신하는 동안에만 존재한다.
- 프로세스들이 통신을 마치고 종료하면 일반 파이프는 없어지게 된다.
유닉스에서의 일반 파이프
- 유닉스는 파이프를 파일의 특수한 유형으로 취급
- pipe(int fd[]);: fd[] 파일 기술자를 통해 접근되는 파이프를 생성
- fd[0]: 파이프의 읽기 종단
- fd[1]: 파이프의 쓰기 종단

지명 파이프(Named Pipes)

일반 파이프보다 강력한 통신을 제공한다.

양방향 통신, 반이중 전송(Unix에서)
부모-자식 관계X
지명 파이프가 구축되면 여러 프로세스들이 이를 사용하여 통신할 수 있다.
UNIX에서는 지명 파이프를 FIFO라고 부른다
생성되면 지명 파이프는 파일시스템의 보통 파일처럼 존재한다.
- mkfifo(), open(), close() 등 일반적인 시스템콜로 조작된다.
파일시스템에서 삭제될때까지 존재한다.
통신하는 두 프로세스는 동일한 기계 내에 존재해야 한다.(Unix에서)
Windows 지명 파이프가 UNIX 파이프보다 훨씬 풍부한 통신 기법 제공

✔️ 클라이언트-서버 환경에서 IPC

Sockets(소켓 통신)

소켓은 통신의 endpoint를 뜻한다.
- 네트워크를 통하여 통신하는 한 쌍의 프로세스는 프로세스 당 하나씩 한 쌍의 소켓이 필요하다.
- 각 소켓은 (IP 주소 + 포트 번호)로 식별된다.
일반적으로 소켓은 클라이언트-서버 구조를 사용한다.
- 서버는 지정된 포트에 클라이언트 요청 메시지가 도착하기를 기다린다.
- 요청이 수신되면 서버는 클라이언트 소켓으로부터의 연결 요청을 수락함으로써 연결이 완성된다.
  - 클라이언트 프로세스가 연결을 요청하면 호스트 컴퓨터가 포트 번호를 부여한다.
  - 모든 연결은 유일해야 한다.
소켓 통신은 1:1 통신이다.
- 식별자 매핑을 통해 소켓을 식별한다.
- 서버는 클라이언트로부터 요청이 들어올때마다 클라이언트 정보에 매핑되는 식별자 매핑을 조회한다.

소켓

아래와 같은 통신에 필요한 다양한 정보와 상태를 저장한다.

소켓 주소: 네트워크 인터페이스 주소 + 포트 번호(IP 주소, 포트 번호)

통신 상태: 소켓 통신 상태 정보 저장(연결 중, 대기, 연결 종료 등)

수신 및 송신 버퍼

소켓 옵션

소켓 매핑 테이블

소켓 매핑 테이블은 서버가 클라이언트와 연결된 소켓을 관리하기 위한 자료구조이다.

이 자료구조는 연결된 소켓의 식별자와 함께 클라이언트의 정보를 매핑하여 저장한다.

소켓 아이디

클라이언트 IP 주소와 포트 번호

서버 IP 주소와 포트 번호

상태 정보(소켓 연결 상태)

기타 관련 정보(소켓 옵션,버퍼 크기 등과 같은 기타 소켓 관련 정보)

RPCs(원격 프로시저 호출)

클라이언트는 호스트에 프로시저를 호출하여 통신한다.
RPC 시스템은 클라이언트 쪽에 Stub을 제공하여 통신을 하는데 필요한 자세한 사항들을 숨겨준다. 보통 원격 프로시저 마다 다른 스텁이 존재한다.
클라이언트가 원격 프로시저를 호출하면 RPC는 그에 대응하는 스텁을 호출하고, 원격 프로시저가 필요로 하는 매개변수를 건네준다.
그러면 스텁이 원격 서버의 포트를 찾고 매개변수를 정돈한다.
그 후 스텁은 메시지 전달 기법을 사용하여 서버에게 메시지를 전송한다.
이 후 대응되는 스텁이 서버에도 존재하여 서버 측 스텁이 메시지를 수신한 후 적절한 서버의 프로시저를 호출한다.

요약

프로세스
- 프로세스는 실행 중인 프로그램이다.
- 프로세스는 실행되면서 상태가 변경된다.
  - New, Ready, Waiting, Terminated
- 각 프로세스는 운영체제 내에서 PCB에 의해 표현된다.
- 프로세스가 실행중이지 않은 상태일 때는 적절한 대기 큐에 놓인다.
  - 입출력 대기 큐, 준비 완료 큐
프로세스 스케줄링
- 장기(잡) 스케줄링: 메모리에 적재할 프로세스를 스케줄링
- 단기(CPU) 스케줄링: Ready Queue에서 프로세스를 스케줄링
프로세스 생성/종료
- 부모 프로세스는 새로운(자식) 프로세스를 생성한다.
- 부모는 작업을 진행하기 전에 자식 프로세스가 종료되는 것을 기다릴 수 있다.
- 부모와 자식 프로세스가 병행하게 실행될 수 있다.
프로세스 통신
- 공유 메모리: 통신을 위한 코드 조작 책임이 프로그래머에게 있다. 운영체제는 공유 메모리 공간만 제공한다.
- 메시지 전달: 운영체제가 메시지 전달 시설을 제공한다.
- 한 운영체제에서 두가지 방식 모두 사용될 수 있다.
클라이언트-서버 통신
- 소켓
- RPCs

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