[OS] Process

OS

프로세스의 개념

"Process is a program in execution"

• 실행중인 프로그램을 말한다.

• 프로세스의 문맥(context) : 현재 시점에 프로세스의 문맥을 나타내기 위해서는 프로그램 카운터(PC)가 어디를 가리키고 있는지, 메모리에 어느 내용을 담고 있는지, data에 변수값은 얼마인지, 레지스터에 어떤 값을 넣어놓고 instruction을 실행하고 있는지를 알아야 한다.

  • 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

프로세스의 상태

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
  • ex) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
• Suspended (stopped)
  • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
  • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다
  • ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우(break key)
    시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴(메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)

Blocked : 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
Suspended : 외부에서 resume해 주어야 Active

경우에 따라 2가지를 추가한다

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

프로세스의 상태도

PCB(Process Control Block)

운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
다음의 구성요소를 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 위치 정보
• (4) 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 PCB의 저장
• CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

문맥 교환은 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(eg. cache memory flush)

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

Job queue

• 현재 시스템 내에 있는 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 수행한다.

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 running 시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 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

사용자 프로세스 상태도

쓰레드(Thread)

"A thread(or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization"

• CPU를 수행하는 단위이다.

• Thread의 구성 → 별도로 가지고 있는 부분

  • 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 있다.

• 다중 스레드로 구성된 태스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked(wating) 상태인 동안에도 동일안 태스크 내의 다른 스레드가 실행(running)되어 빠른 처리를 할 수 있다. → 빠른 응답성을 제공한다.

• 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다. → 자원을 절약하는 효과를 볼 수 있다.

• 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다.

쓰레드의 장점

쓰레드의 장점은 크게 4가지로 볼 수 있다.

• 응답성
  • ex) 다중 쓰레드 웹 : 만약 하나의 쓰레드가 이미지를 읽어오는 동안에 블럭시키지 않고 다른 쓰레드가 텍스트를 먼저 뿌려준다.
• 자원 공유
  • 자원을 효율적으로 쓰는 효과를 얻을 수 있다.
• 경제성
  • 프로세스를 여러개 만드는 것은 overhead가 크다 하지만 하나의 프로세스에 여러개의 thread를 만드는 것은 프로세스를 만드는 일보다 효율적이다.
• CPU가 여러개있는 환경에서 쓰레드를 뒀을때의 장점
  • 프로세스가 하나지만 여러개의 쓰레드가 있다면 병렬적으로 일을할 수있다.

쓰레드를 구현할 수 있는 방법

• Kernel Threads : 쓰레드가 여러개 있다는 사실을 운영체제 커널이 알고 있다. 하나의 쓰레드에서 다른 쓰레드로 CPU가 넘어가는 것도 CPU 스케줄링을 하듯이 넘겨준다.
• User Threads : 라이브러리를 통해 지원되며, 프로세스 안에 쓰레드가 여러개 있다는 것을 운영체제 커널은 모른다. 유저 프로그램이 스스로 라이브러리의 지원을 받아 여러개의 쓰레드를 관리한다. 구현상의 제약점이 존재할 수 있다.
• real-time threads : real-time 기능을 지원하는 쓰레드

본문 출처 : 운영체제 - 이화여자대학교 반효경