[운영체제] 프로세스 상태와 계층 구조, Context Switching

naring·2023년 11월 15일

운영체제

목록 보기

1/1

프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

프로세스가 실행되면, 상태가 바뀐다.
프로세스 상태는 현재 프로세스의 활동으로 정의된다.

프로세스 상태의 종류

New : 프로세스가 새로 만들어진 상태
Running : 명령어들이 실행되고 있는 상태
Waiting : 프로세스가 다른 이벤트가 일어나기를 기다리고 있는 상태
Ready : 프로세스가 다른 프로세서에 할당되기를 기다리고 있는 상태

→ 이러한 이름들은 임의적이고, OS에 따라 다양하다.

→ 다만 변하지 않는 사실은 어떤 프로세서 코어의 어떤 순간에도 오직 하나의 프로세스만이 Running 상태 일 수 있다.

프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

프로세스가 실행되면, 상태가 바뀐다.
프로세스 상태는 현재 프로세스의 활동으로 정의된다.

프로세스 상태의 종류

New : 프로세스가 새로 만들어진 상태
Running : 명령어들이 실행되고 있는 상태
Waiting : 프로세스가 다른 이벤트가 일어나기를 기다리고 있는 상태
Ready : 프로세스가 다른 프로세서에 할당되기를 기다리고 있는 상태

→ 이러한 이름들은 임의적이고, OS에 따라 다양하다.

→ 다만 변하지 않는 사실은 어떤 프로세서 코어의 어떤 순간에도 오직 하나의 프로세스만이 Running 상태 일 수 있다.

프로세스 스케쥴링

프로세스가 시스템에 들어가면, ready queue에 들어간다. 여기에서 준비하고 CPU코어에서 실행되기를 기다린다.
이 큐는 linked list의 형태로 저장된다.
ready queue 헤더는 첫번쨰 PCB 블락을 가리키는 포인터를 가지고 있으며 각각의 PCB는 포인터 필드를 가지고 있다.
wait queue : 프로세스가 CPU 코어에 할당되고 이를 잠깐 실행하다가 결국 중단하거나 인터럽트 되거나 트정 이벤트를 기다리거나
프로세스가 I/O 요청을 보내면 그 외부입출력 장치는 프로세서보다 느리기 때문에 프로세스는 그 I/O 장치의 작업을 기다려야 한다. 그때 wait queue에 들어가게 된다.

새로운 프로세스가 처음에는 ready queue에 들어간다.
실행을 위해 선택되거나 dispatch 될 때까지 거기서 기다린다.
프로세스가 CPU 코어에 한 번 할당되어 실행되면, 아래 중 하나의 이벤트가 일어난다.
- 프로세스는 I/O 요청을 발생시킬 수 있다. 그리고 그러면 I/O wait queue에 들어간다.
- 프로세스는 새로운 child process 를 만들 수 있다. 그러면 child의 종료를 기다리는 동안 wait 큐에 들어간다.
- 프로세스는 타임 slice가 만기되거나 인터럽트의 결과로 코어로부터 강제로 제거될 수 있다. 그러면 다시 ready 큐로 들어가게 된다.
위의 두 케이스에서는 프로세스는 결국 waiting state에서 ready state로 바뀐다. 그리고 다시 ready queue에 담긴다. 프로세스는 이러한 사이클을 종료 전까지 반복한다. 종료되면 모든 큐에서 삭제되고 PCB와 리소스 할당이 취소된다.

CPU 스케쥴링

CPU 스케쥴러 : ready queue에 있는 프로세스들 중 하나를 골라 CPU 코어에 할당.
CPU 스케쥴러는 새로운 프로세스를 CPU 빈도에 맞게 잘 골라야 한다.
CPU 스케쥴러는 최소 매 100 ms 마다 실행되며, 일반적으로 이보다 빈번하게 일어난다.

Context Switching

CPU가 프로세스를 바꾸는 행동을 context switching이라 한다.

context switching

인터럽트는 운영체제가 CPU 코어를 현재 태스크에서 커널 상태로 바꾸도록 한다.
인터럽트가 일어나면 시스템은 현재 실행중인 프로세스의 context 를 저장해야 하고 그리하여 프로세스가 끝나고 이것을 다시 복원할 수 있다. 결국 멈춘 프로세스가 재개될 수 있다.
context 는 PCB에 저장 돼 있다.
컨텍스트 스위치가 일어나면 커널은 기존 프로세스의 맥락을 저장하고, 불러올 새로운 프로세스의 저장된 컨텍스트를 가져온다.
컨텍스트 스위치 타임은 순전히 overhead이다 왜냐하면 시스템은 스위칭 하는 시간이 그냥 버리는 시간이기 때문이다.
스위칭 스피드는 기계마다 다른데, 메모리 속도,복사되어야 하는 레지스터의 개수, 존재하는 특별한 명령어의 수에 따라 다르다. 전형적으로 context switching에는 몇몇 microsecond 가 걸린다.
컨텍스트 스위치 시간은 하드웨어에 의존적이다. 예를 들면 몇몇 프로세서는 레지스터의 세트를 여러개 지원한다. 이때 컨텍스트 스위치는 단순히 현재 레지스터 셋의 포인터만 바꾸면 된다.
고급 메모리 관리 기술을 사용하려면 각 컨텍스트에 따라 추가 데이터를 전환해야 할 수도 있다.

프로세스의 생성

System call : fork(), exec

fork()

새로운 프로세스를 위한 메모리 공간 할당

pid가 다른 또 하나의 프로세스가 생기는 것.

exec()

프로세스 실행 : 메모리 공간을 새로운 프로그램의 내용으로 덮어씌움

→ exec을 호출한 프로세스가 아니라, exec을 통해 호출된 프로세스만 메모리에 남게 된다.

생성되는 새로운 프로세스는 없고, 새로운 프로세스에 이 함수를 호출한 프로세스의 pid가 그대로 적용.
새로운 프로세스가 기존 프로세스를 덮어버린다.

프로세스 생성 과정

프로세스를 만드는 프로세스를 parent process, 생성되는 프로세스를 child process라고 한다.
- 이들 프로세스는 프로세스 tree를 구성한다.

일반적으로 프로세스가 자식 프로세스를 생성할 때, 자식 프로세스는 작업을 수행하기 위해 특정 리소스(cpu 시간, 메모리, 파일 , io장치)가 필요하다.
자식 프로세스는 운영체제에서 직접 리소스를 얻을 수 있거나 상위 프로세스 리소스의 하위 집합으로 제한될 수 있다. 부모는 자식 리소스를 분할해야 할 수도 있고 여러 자식 간 리소스를 공유 할 수도 있다.
하위 프로세스를 상위 리소스의 하위 집합으로 제한하면 하위 프로세스를 너무 많이 생성해 프로세스가 과부하 주는 것을 막을 수 있다.
상위 프로세스는 초기화 데이터를 하위 프로세스에 전달할 수 있다.

프로세스가 새 프로세스를 생성할 때 두 가지 가능성

상위 프로세스가 하위 프로세스와 동시에 계속 실행
상위는 하위 일부 또는 전체가 종료될 때까지 기다림

새 프로세스에는 두 가지 주소공간의 가능성

자식 프로세스는 부모 프로세스와 중복(프로그램 및 데이터를 상위 것을 사용)
하위 프로세스에는 새 프로그램이 로드

유닉스에서는 각 프로세스가 고유한 정수인 프로세스 식별자로 식별된다. PID
새로운 프로세스는 fork() 시스템 호출에 의해 생성된다.
새 프로세스는 원래 프로세스의 주소 공간 복사본으로 구성된다.
이 메커니즘을 사용하면 상위 프로세스가 하위 프로세스와 쉽게 통신 가능하다.
두 프로세스는 모두 포크 이후의 명령에 계속 실행
포크 시스템 호출 후 두 프로세스 중 하나는 일반적으로 exec 시스템 호출을 사용해 프로세스의 메모리 공간을 새 프로그램으로 대체
exec() 시스템 호출은 바이너리 파일을 메모리에 로드하고(ecec() 시스템 호출을 포함하는 프로그램의 메모리 이미지를 삭제함) 실행을 시작한다.

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
pid_t pid;
	
	/* fork a child process*/
	pid = fork();

	if ( pid < 0 ){ /* error occured */
		fprintf(stderr, "Fork Failed")
		return 1;
	}
	else if (pid == 0) {/* child process */
		execlp("/bin/ls" , "ls", NULL);
	}
	else { 
		/* parent will wait for the child to complete */
		wait(NULL);
		printf("Child Complete");
	}
	return 0;
}

새로운 프로세스 생성 과정 예시

그림 3.8에 표시된 C 프로그램은 이전에 설명한 UNIX 시스템 호출을 보여줍니다. 이제 동일한 프로그램의 복사본을 실행하는 두 개의 서로 다른 프로세스가 있습니다. 유일한 차이점은 하위 프로세스(자식프로세스)의 pid 변수 값이 0인 반면 상위 프로세스의 변수 값은 0보다 큰 정수 값이라는 점입니다(실제로 이는 하위 프로세스의 실제 pid입니다). 하위 프로세스는 상위 프로세스뿐만 아니라 열린 파일과 같은 특정 리소스로부터 권한과 일정 속성을 상속받습니다.
그런 다음 하위 프로세스는 execlp() 시스템 호출(execlp()은 exec() 시스템 호출의 버전임)을 사용하여 UNIX 명령 /bin/ls(디렉토리 목록을 가져오는 데 사용됨)로 주소 공간을 오버레이합니다.
부모는 자식 프로세스가 wait() 시스템 호출로 완료될 때까지 기다립니다. 하위 프로세스가 완료되면(exit()를 암시적으로 또는 명시적으로 호출하여) 상위 프로세스는 wait() 호출에서 다시 시작되며, 여기서 종료() 시스템 호출을 사용하- 여 완료됩니다. 이는 그림 3.9에도 나와 있습니다.
물론 자식이 exec()를 호출하지 않고 대신 부모 프로세스의 복사본으로 계속 실행되는 것을 막을 수 있는 방법은 없습니다. 이 시나리오에서 상위 및 하위는 동일한 코드 명령을 실행하는 동시 프로세스입니다. 하위 항목은 상위 항목의 복사본이므로 각 프로세스에는 자체 데이터 복사본이 있습니다.
대안적인 예로, 다음에는 Windows에서 프로세스 생성을 고려합니다. 프로세스는 CreateProcess() 함수를 사용하여 Windows API에서 생성됩니다. 이는 부모가 새 자식 프로세스를 생성한다는 점에서 fork()와 유사합니다.

자식프로세스를 위한 메모리 공간 할당

커널은 자식 프로세스가 생성되면 프로세스 테이블에 등록하고 메모리를 할당한다.

Untitled

일반적으로 프로세스가 생성되면, 자식 프로세스와 부모 프로세스는 텍스트(text, 프로그램 코드) 영역은 공유하고, 데이터, 힙, 스택 영역은 복사하는데, 보통 fork() 함수를 수행한 후 바로 exec 함수가 호출되기 때문에 대부분의 시스템에서 fork() 함수 수행 시 데이터, 힙, 스택 영역을 바로 복사하지 않는다.
자식 프로세스의 내용이 변경될 때 나머지 영역을 복사하는 방법을 통해서 실행 속도를 높일 수 있는데 이 를 변형 시에 복사(copy-on-write, COW)라고 한다

COW 란?

복사시 변경되기 전까지는 동일한 주소를 바라보다가 변경된 내용이 있을 경우 새로운 주소를 할당하는 기법

프로세스 종료

프로세스의 종료에는 크게 두 가지가 있다.

1. 자발적 종료

마지막 statement를 수행한 후에 부모에게 output data를 보내고, 운영체제에게 이를 알려준 후 종료된다. 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에 반납된다. 이때 유닉스의 exit() 시스템 콜을 이용한다. 이는 프로그램에 명시적으로 넣지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어준다.

2. 비자발적 종료

비자발적 종료에는 세 종류가 있다.

부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시키는 경우

자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원을 요청하거나 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않은 경우 부모 프로세스는 자식의 수행을 종료시킨다. 이때 유닉스의 abort() 시스템 콜을 이용한다.

키보드로 kill, break을 친 경우
부모 프로세스가 종료하는 경우 : 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 허용하지 않는다. 부모가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료된다.

참고

프로세스 종료 : https://hyunah-home.tistory.com/entry/프로세스-관리-프로세스-생성과-종료-부모-프로세스와-자식-프로세스

https://woochan-autobiography.tistory.com/207

프로세스 스케쥴링

프로세스가 시스템에 들어가면, ready queue에 들어간다. 여기에서 준비하고 CPU코어에서 실행되기를 기다린다.
이 큐는 linked list의 형태로 저장된다.
ready queue 헤더는 첫번쨰 PCB 블락을 가리키는 포인터를 가지고 있으며 각각의 PCB는 포인터 필드를 가지고 있다.
wait queue : 프로세스가 CPU 코어에 할당되고 이를 잠깐 실행하다가 결국 중단하거나 인터럽트 되거나 트정 이벤트를 기다리거나
프로세스가 I/O 요청을 보내면 그 외부입출력 장치는 프로세서보다 느리기 때문에 프로세스는 그 I/O 장치의 작업을 기다려야 한다. 그때 wait queue에 들어가게 된다.

KakaoTalk_Photo_2023-11-10-15-23-57 002.jpeg

새로운 프로세스가 처음에는 ready queue에 들어간다.
실행을 위해 선택되거나 dispatch 될 때까지 거기서 기다린다.
프로세스가 CPU 코어에 한 번 할당되어 실행되면, 아래 중 하나의 이벤트가 일어난다.
- 프로세스는 I/O 요청을 발생시킬 수 있다. 그리고 그러면 I/O wait queue에 들어간다.
- 프로세스는 새로운 child process 를 만들 수 있다. 그러면 child의 종료를 기다리는 동안 wait 큐에 들어간다.
- 프로세스는 타임 slice가 만기되거나 인터럽트의 결과로 코어로부터 강제로 제거될 수 있다. 그러면 다시 ready 큐로 들어가게 된다.
위의 두 케이스에서는 프로세스는 결국 waiting state에서 ready state로 바뀐다. 그리고 다시 ready queue에 담긴다. 프로세스는 이러한 사이클을 종료 전까지 반복한다. 종료되면 모든 큐에서 삭제되고 PCB와 리소스 할당이 취소된다.

CPU 스케쥴링

CPU 스케쥴러 : ready queue에 있는 프로세스들 중 하나를 골라 CPU 코어에 할당.
CPU 스케쥴러는 새로운 프로세스를 CPU 빈도에 맞게 잘 골라야 한다.
CPU 스케쥴러는 최소 매 100 ms 마다 실행되며, 일반적으로 이보다 빈번하게 일어난다.

Context Switching

CPU가 프로세스를 바꾸는 행동을 context switching이라 한다.

context switching

인터럽트는 운영체제가 CPU 코어를 현재 태스크에서 커널 상태로 바꾸도록 한다.
인터럽트가 일어나면 시스템은 현재 실행중인 프로세스의 context 를 저장해야 하고 그리하여 프로세스가 끝나고 이것을 다시 복원할 수 있다. 결국 멈춘 프로세스가 재개될 수 있다.
context 는 PCB에 저장 돼 있다.
컨텍스트 스위치가 일어나면 커널은 기존 프로세스의 맥락을 저장하고, 불러올 새로운 프로세스의 저장된 컨텍스트를 가져온다.
컨텍스트 스위치 타임은 순전히 overhead이다 왜냐하면 시스템은 스위칭 하는 시간이 그냥 버리는 시간이기 때문이다.
스위칭 스피드는 기계마다 다른데, 메모리 속도,복사되어야 하는 레지스터의 개수, 존재하는 특별한 명령어의 수에 따라 다르다. 전형적으로 context switching에는 몇몇 microsecond 가 걸린다.
컨텍스트 스위치 시간은 하드웨어에 의존적이다. 예를 들면 몇몇 프로세서는 레지스터의 세트를 여러개 지원한다. 이때 컨텍스트 스위치는 단순히 현재 레지스터 셋의 포인터만 바꾸면 된다.
고급 메모리 관리 기술을 사용하려면 각 컨텍스트에 따라 추가 데이터를 전환해야 할 수도 있다.

프로세스의 생성

System call : fork(), exec

fork()

새로운 프로세스를 위한 메모리 공간 할당

pid가 다른 또 하나의 프로세스가 생기는 것.

exec()

프로세스 실행 : 메모리 공간을 새로운 프로그램의 내용으로 덮어씌움

→ exec을 호출한 프로세스가 아니라, exec을 통해 호출된 프로세스만 메모리에 남게 된다.

생성되는 새로운 프로세스는 없고, 새로운 프로세스에 이 함수를 호출한 프로세스의 pid가 그대로 적용.
새로운 프로세스가 기존 프로세스를 덮어버린다.

프로세스 생성 과정

프로세스를 만드는 프로세스를 parent process, 생성되는 프로세스를 child process라고 한다.
- 이들 프로세스는 프로세스 tree를 구성한다.

일반적으로 프로세스가 자식 프로세스를 생성할 때, 자식 프로세스는 작업을 수행하기 위해 특정 리소스(cpu 시간, 메모리, 파일 , io장치)가 필요하다.
자식 프로세스는 운영체제에서 직접 리소스를 얻을 수 있거나 상위 프로세스 리소스의 하위 집합으로 제한될 수 있다. 부모는 자식 리소스를 분할해야 할 수도 있고 여러 자식 간 리소스를 공유 할 수도 있다.
하위 프로세스를 상위 리소스의 하위 집합으로 제한하면 하위 프로세스를 너무 많이 생성해 프로세스가 과부하 주는 것을 막을 수 있다.
상위 프로세스는 초기화 데이터를 하위 프로세스에 전달할 수 있다.

프로세스가 새 프로세스를 생성할 때 두 가지 가능성

상위 프로세스가 하위 프로세스와 동시에 계속 실행
상위는 하위 일부 또는 전체가 종료도리 때까지 기다림

새 프로세스에는 두 가지 주소공간의 가능성

자식 프로세스는 부모 프로세스와 중복(프로그램 및 데이터를 상위 것을 사용)
하위 프로세스에는 새 프로그램이 로드

유닉스에서는 각 프로세스가 고유한 정수인 프로세스 식별자로 식별된다. PID
새로운 프로세스는 fork() 시스템 호출에 의해 생성된다.
새 프로세스는 원래 프로세스의 주소 공간 복사본으로 구성된다.
이 메커니즘을 사용하면 상위 프로세스가 하위 프로세스와 쉽게 통신 가능하다.
두 프로세스는 모두 포크 이후의 명령에 계속 실행
포크 시스템 호출 후 두 프로세스 중 하나는 일반적으로 exec 시스템 호출을 사용해 프로세스의 메모리 공간을 새 프로그램으로 대체
exec() 시스템 호출은 바이너리 파일을 메모리에 로드하고(ecec() 시스템 호출을 포함하는 프로그램의 메모리 이미지를 삭제함) 실행을 시작한다.

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
pid_t pid;
	
	/* fork a child process*/
	pid = fork();

	if ( pid < 0 ){ /* error occured */
		fprintf(stderr, "Fork Failed")
		return 1;
	}
	else if (pid == 0) {/* child process */
		execlp("/bin/ls" , "ls", NULL);
	}
	else { 
		/* parent will wait for the child to complete */
		wait(NULL);
		printf("Child Complete");
	}
	return 0;
}

새로운 프로세스 생성 과정 예시

그림 3.8에 표시된 C 프로그램은 이전에 설명한 UNIX 시스템 호출을 보여줍니다. 이제 동일한 프로그램의 복사본을 실행하는 두 개의 서로 다른 프로세스가 있습니다. 유일한 차이점은 하위 프로세스(자식프로세스)의 pid 변수 값이 0인 반면 상위 프로세스의 변수 값은 0보다 큰 정수 값이라는 점입니다(실제로 이는 하위 프로세스의 실제 pid입니다). 하위 프로세스는 상위 프로세스뿐만 아니라 열린 파일과 같은 특정 리소스로부터 권한과 일정 속성을 상속받습니다.
그런 다음 하위 프로세스는 execlp() 시스템 호출(execlp()은 exec() 시스템 호출의 버전임)을 사용하여 UNIX 명령 /bin/ls(디렉토리 목록을 가져오는 데 사용됨)로 주소 공간을 오버레이합니다.
부모는 자식 프로세스가 wait() 시스템 호출로 완료될 때까지 기다립니다. 하위 프로세스가 완료되면(exit()를 암시적으로 또는 명시적으로 호출하여) 상위 프로세스는 wait() 호출에서 다시 시작되며, 여기서 종료() 시스템 호출을 사용하- 여 완료됩니다. 이는 그림 3.9에도 나와 있습니다.
물론 자식이 exec()를 호출하지 않고 대신 부모 프로세스의 복사본으로 계속 실행되는 것을 막을 수 있는 방법은 없습니다. 이 시나리오에서 상위 및 하위는 동일한 코드 명령을 실행하는 동시 프로세스입니다. 하위 항목은 상위 항목의 복사본이므로 각 프로세스에는 자체 데이터 복사본이 있습니다.
대안적인 예로, 다음에는 Windows에서 프로세스 생성을 고려합니다. 프로세스는 CreateProcess() 함수를 사용하여 Windows API에서 생성됩니다. 이는 부모가 새 자식 프로세스를 생성한다는 점에서 fork()와 유사합니다.

자식프로세스를 위한 메모리 공간 할당

커널은 자식 프로세스가 생성되면 프로세스 테이블에 등록하고 메모리를 할당한다.

Untitled

일반적으로 프로세스가 생성되면, 자식 프로세스와 부모 프로세스는 텍스트(text, 프로그램 코드) 영역은 공유하고, 데이터, 힙, 스택 영역은 복사하는데, 보통 fork() 함수를 수행한 후 바로 exec 함수가 호출되기 때문에 대부분의 시스템에서 fork() 함수 수행 시 데이터, 힙, 스택 영역을 바로 복사하지 않는다.
자식 프로세스의 내용이 변경될 때 나머지 영역을 복사하는 방법을 통해서 실행 속도를 높일 수 있는데 이 를 변형 시에 복사(copy-on-write, COW)라고 한다

COW 란?

복사시 변경되기 전까지는 동일한 주소를 바라보다가 변경된 내용이 있을 경우 새로운 주소를 할당하는 기법

프로세스 종료

프로세스의 종료에는 크게 두 가지가 있다.

1. 자발적 종료

2. 비자발적 종료

비자발적 종료에는 세 종류가 있다.

부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시키는 경우

키보드로 kill, break을 친 경우
부모 프로세스가 종료하는 경우 : 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 허용하지 않는다. 부모가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료된다.

참고

프로세스 종료 : https://hyunah-home.tistory.com/entry/프로세스-관리-프로세스-생성과-종료-부모-프로세스와-자식-프로세스

https://woochan-autobiography.tistory.com/207
공룡책(운영체제)

naring

개발은 즐거워

[운영체제] 프로세스 상태와 계층 구조, Context Switching

운영체제

프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

프로세스 상태의 종류

프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

프로세스 상태의 종류

프로세스 스케쥴링

CPU 스케쥴링

Context Switching

context switching

프로세스의 생성

System call : fork(), exec

fork()

exec()

프로세스 생성 과정

새로운 프로세스 생성 과정 예시

자식프로세스를 위한 메모리 공간 할당

프로세스 종료

프로세스 종료

참고

프로세스 스케쥴링

CPU 스케쥴링

Context Switching

context switching

프로세스의 생성

System call : fork(), exec

fork()

exec()

프로세스 생성 과정

새로운 프로세스 생성 과정 예시

자식프로세스를 위한 메모리 공간 할당

프로세스 종료

프로세스 종료

참고

0개의 댓글