Process

✏️ 프로세스의 개념

• Program in execution

• 프로세스의 문맥 (context)
  • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
    • PC (Program Counter)
    • 각종 register
  • 프로세스의 주소 공간
    • code
    • data
    • stack
  • 프로세스 관련 커널 자료 구조
    • PCB (Process Control Block)
    • Kernel stack

✏️ 프로세스의 상태

프로세스는 상태가 변경되며 수행된다

• Running

  • CPU를 잡고 instruction 수행중인 상태

• Ready

  • CPU를 기다리는 상태 (메모리 등 다른 조건은 모두 만족)

• Blocked (wait, sleep)

  • CPU를 주어도 당장 instruction 수행할 수 없는 상태
  • Process 자신이 요청한 event (ex. I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
    • ex. disk에서 file 읽어와야 하는 경우
  • 자신이 요청한 event 만족되면 Ready

• Suspended (stopped)

  • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
  • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 됨
    • ex. 사용자가 프로그램을 일시정지시킨 경우 (break key)
    • ex. 시스템이 여러 이유로 프로세스르르 잠시 중단시킴 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
  • Medium-term scheduler에 의해 메모리에서 쫓겨남
  • 외부에서 resume 해줘야 Active

• New : 프로세스가 생성중인 상태
• Terminated : 수행(execution)이 끝난 상태
  

✏️ Process Control Block (PCB)

운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보

• 1️⃣ OS가 관리상 사용하는 정보
  • Process state
  • Process ID
  • Scheduling information
  • Priority
• 2️⃣ CPU 수행 관련 하드웨어 값
  • Program Counter
  • Registers
• 3️⃣ 메모리 관련
  • Code, data, stack의 위치 정보
• 4️⃣ 파일 관련
  - Open file descriptors　
  

✏️ 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 발생시 반드시 Context switch가 일어나는 것은 아님
  • System call/Interrupt : Process → OS

• (1)의 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 저장해아 하지만 문맥 교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 큼 (ex. cache memory flush)

✏️ 프로세스를 스케쥴링하기 위한 큐

• Job queue
  • 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready queue
  • 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queue
  • I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

• 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행됨
• RQ, DQ에 있는 것들 : JQ에 다 있음

✏️ 스케쥴러 (Scheduler)

• Long-term scheduler (장기 스케쥴러 or job scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
  • 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
  • degree of Multiprogramming 제어
  • time sharing system에는 보통 장기 스케쥴러가 없음
    • 무조건 ready
• Short-term scheduler (단기 스케쥴러 or CPU scheduler)
  • 어떤 프로세스를 다음 번에 running시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)
• Medium-term scheduler (중기 스케쥴러 or Swapper)
  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통채로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
  • degree of Multiprogramming 제어

✏️ Thread (lightweight process)

a basic unit of CPU utilization

Process 내부에 CPU 수행 단위가 여러 개 있는 경우

• Thread의 구성
  • program counter
  • register set
  • stack space

• Thread가 동료 thread와 공유하는 부분 (=task)
  • code section
  • data section
  • OS resources

• 전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있음
• 다중 thread로 구성된 task 구조에서는 하나의 서버 thread가 blocked(waiting) 상태인 동안에도 동일한 task내의 다른 thread가 실행(running)되어 빠른 처리 가능
• 동일한 일을 수행하는 다중 thread가 협력해 높은 처리율(throughput)과 성능 향상 가능
• (CPU가 여러 개 있는 컴퓨터의 경우에는) thread를 사용하면 병렬성을 높일 수 있음
  
• 공유할 수 있는 것 최대한 공유, CPU 관련 정보만 각 thread가 별도로 가짐
  

✏️ Benefits of Treads

• Responsiveness
  • ex. multi-threaded Web
    • If one thread is blocked (ex. network), another thread continues (ex. display)
• Resource Sharing
  • n threads can share binary code, data, resource of the process -> effective !
• Economical
  • creating & CPU swithing thread (rather than a process)
  • overhead가 작음
• Utilization of MP Architectures
  • each thread may be running in parallel on a different processor

✏️ Implementation of Threads

Kernel Threads

• Some are supported by kernel
  • Windows 95/98/NT
  • Solaris
  • Digital UNIX, Mach
• Thread가 여러 개인 것 OS kernel이 알고 있음
• Thread → Trhead : kernel이 넘겨줌

User Threads

• Others are supported by library
  • POSIX Pthreads
  • Mach C-threads
  • Solaris threads
• Thread가 여러 개인 것 OS kernel이 모름
• Thread → Trhead : user program이 스스로 관리

Real-time threads

• real time 기능 지원

---

참고자료
KOCW, 반효경 교수님, 운영체제