CS - 운영체제 OS 03. Process

Chapter 3. Process

1. 프로세스의 개념

• “Process is a program in execution” : 실행 중인 프로그램
• 프로세스의 문맥 (context) : 프로세스의 현재 상태를 나타내는데 필요한 모든 요소
  • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥 : 현재 시점에 프로세스를 어디까지 실행했는지 확인
    • Program counter
    • 각종 register
  • 프로세스의 주소 공간
    • code, data, stack
  • 프로세스 관련 커널 자료 구조 (관리)
    • PCB(Process Control Block)
    • Kernel stack (프로세스 별로 별도로 커널 스택을 두고 있음)

→ 번갈아가면서 프로그램이 실행되기 때문에 문맥을 알아야 instruction 순서를 제대로 실행 가능함

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 만족하는 상태)
  • 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
    • 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
  • Suspended (stopped)
    • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
    • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다
    • 예) 사용자가 프로그램을 일시 정지 시킨 경우(break key) 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때=Medium-term Scheduler)
    • 외부에서 resume해 주어야 Active
• New : 프로세스가 생성 중인 상태 (보통 프로세스의 상태로 포함되지 않음)
• Terminated : 수행이 끝난 상태 (보통 프로세스의 상태로 포함되지 않음)

3. Process Control Block (PCB)

• PCB (Process Control Block)
  • 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, registers
  • (3) 메모리 관련
    • Code, Data, Stack의 위치정보
  • (4) 파일 관련
    • Open File Descriptors

4. 문맥 교환 (Context Switch) - 중요**

• 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 call 이나 Interrupt 발생시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님

5. 프로세스 스케줄링하기 위한 큐

• 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.
• Job Queue
  • 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합 (Ready Queue + Device Queues)
• Ready Queue
  • 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스 집합 (Device Queue와 베타관계)
• Device Queues
  • I/O device 의 처리를 기다리는 프로세스 집합 (Ready Queue와 베타적 관계)

6. 스케줄러 (Scheduler)

자원 별로 순서를 정해주는 것.

• Long-term Scheduler (장기 스케줄러 or Job scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정 (프로그램 시작할 때 new 상태에서 메모리를 줘서 ready 상태로 갈 프로세스를 결정)
    
  • 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어 (메모리에 올라갈 프로세스 수) (메모리에 올라간 프로그램이 너무 적거나 많으면 CPU 효율, 성능이 좋지 않음)
    
  • Time sharing system 에서는 보통 장기 스케줄러가 없음 (무조건 ready 상태 - 결정 단계 없이 바로 메모리에 올라감)
    
• Short-term Scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)
  • 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • millisecond 단위로 충분히 빨라야 함
• Medium-term Scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)
  • 메모리 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제 → 시스템 입장에서 더 효과적
  • degree of Multiprogramming을 제어

7. Thread

• Thread : 프로세스 하나에 CPU 수행 단위만 여러 개 두고 있는 것
• "A thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU utilication" 프로세스(heavyweight process) 내부에 CPU 수행 단위가 여러개 존재하는 경우, CPU를 수행하는 단위
  
• thread 의 구성
  • Program Counter
  • register set
  • stack space
• Task = Thread가 동료 Thread 와 공유하는 부분 thread가 여러 개 있으면 task는 하나만 있음
  • code section
  • data section
  • os resources
• 전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.

8. Thread의 장점

• 다중 스레드로 구성된 태스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked(waiting) 상태인 동안에도 동일한 태스크 내의 다른 스레드가 실행(running)되어 빠른 처리를 할 수 있음.
  • 사용자에게 빠른 응답성을 보여줄 수 있음
• 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다
  • 메모리 낭비를 줄일 수 있음.
• 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다 (CPU가 여러개인 컴퓨터인 경우에만 가질 수 있는 장점) - 각 스레드들이 서로 다른 CPU에서 실행되고 pararell 하게 병렬적으로 실행되므로 결과를 빨리 얻을 수 있음

9. Benefits of Threads

• Responsiveness (응답성)
  • 사용자 입장에서 빠름
  • eg) multi-threaded Web (여러 개의 스레드)
    • if one thread is blocked (eg network)
    • another thread continues (eg display) → 비동기식 입출력
• Resource Sharing (자원 공유)
  • 자원을 효율적으로 사용 가능
  • n threads can share binary code, data, resource of the process
• Economy (경제성)
  • creating & CPU switching thread (rather than a process)
    • 프로세스 하나를 생성하고 CPU를 스위치하는 것보다 스레드를 하나 생성하고 CPU를 스위치하는 것이 훨씬 overhead가 적음
  • Solaris의 경우 위 두 가지 overhead가 각각 30배, 5배
    • 같은 작업이라면 프로세스를 여러 개 만드는 것보다 스레드를 생성하는 것이 훨씬 경제적

<CPU가 한 개 있는 경우의 장점>

• Utilization of MP(Multi Processor) Architectures (CPU가 여러개 있는 경우의 장점)
  • each thread may be running in parallel on a different processor
  • 병렬적으로 작동할 수 있어서 효율적

10. Implementation of Threads

• Some are supported by kernel ⇒ Kernel Threads
  • Windows 95/98/NT
  • Solaris
  • Digital UNIX, Mach
• Others are supported by library ⇒ User Threads
  • POSIX Pthreads
  • Mach C-threads
  • Solaris threads
• Some are real-time threads

🔗강의 바로가기 운영체제 - 이화여자대학교 반효경 교수님 강의를 듣고 정리한 내용입니다.