[Operating System] Processes

hina·2023년 7월 6일

Operating System

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Process Concept

프로세스의 정의
- A Program in execution
- 프로세스 상태 (process state)를 문맥으로 가지는 실행 중인 흐름.
- Process state: 프로세스와 영향을 주고 받는 모든 요소. (code, data, values, ...)
- Execution stream (실행 흐름): 코드가 한 줄씩 실행되는 흐름 그 자체를 의미한다.
Process state (=context)의 3가지 종류
1. Memory context: code segment, data segment, stack segment, heap
2. Hardware context: CPU register, I/O register
3. System context: Process table, open file table, page table -> 커널이 관리하고 있는 정보.

Program은 디스크에 저장되어 있는 수동적인 실행 파일을 뜻하고, Process는 능동적인 존재다.

Program은 실행파일이 메모리에 로드되면 process가 된다.

Multiprogramming vs. Multiprocesing

Uniprogramming
- 한 순간에 메모리에는 하나의 프로그램만 가능하다.
- 옛날 PC의 OS에서 이용됐으며 OS를 만들기에는 쉬우나 다른 부분에서 어렵다.

Multiprogramming
- 한 순간에 메모리에 여러 개의 프로그램이 가능하다.
- 대부분의 시스템은 멀티프로그래밍을 지원한다.
Multiprocessing
- CPU 관점으로 프로세스 여러 개가 함께 돌아간다.
- 멀티 프로세싱이라면 멀티 프로그래밍이어야 하지만, 그 역은 성립하지 않는다.
Multiprogrammig을 통해 OS는 process들을 유지해야 한다. 각각의 프로세스마다 PCB (Process Control Block)으로 관리한다.

Process State

Process state

프로그램이 실행되는 동안, process state는 수시로 바뀐다.
- new: 프로세스 생성
- running: 명령어 실행 중인 상태
- waiting: 이벤트가 발생해 대기 중인 상태
- ready: 프로세서에 할당되기 전에 대기 중인 상태
- termintated: 프로세스 실행 종료

State Transition

Ready Queue: 바로 실행될 수 있지만, 실행될 자리가 없어서 대기 중인 프로세스들이 위치한 곳.
Device Queue (I/O waiting Queue): I/O device wait으로 인해 밀려난 프로세스들이 위치한 곳.
job Queue: 위의 두 큐를 포함하여 시스템의 모든 프로세스의 집합.

Schedulers

Short-term scheduler (or CPU scheduler): ready queue에 있는 프로세스 중 실행시킬 것을 결정하는 스케줄러이다. 다음에 실행할 프로세스를 선택하고, CPU에 할당한다.
-> 자주 호출되므로, must be fast
Long-term scheduler (or Job scheduler): ready queue에 올릴 프로세스를 결정한다. degree of multiprogramming을 결정한다.
-> 자주 호출되지 않으므로, may be slow
프로세스 구분하기
- I/O bound process: 입출력 수행해 시간이 많이 걸리는 프로세스. CPU에 시간이 얼마 안 걸린다.
- CPU bound process: CPU 연산에 시간이 많이 걸리는 프로세스이다.
- 좋은 long-term scheduler는 두 프로세스가 적절히 섞인 경우일 것.

CPU Switch From Process to Process

CPU가 다른 프로세스로 교체할 때, 시스템은 context switch를 통해 실행 중이던 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고, 새로운 프로세스의 상태를 가져온다.
Context-switch는 시간이 오래 걸리므로, 자주 사용하지 않도록 해야 한다. (OS와 PCB가 복잡할수록 context-switch 시간은 길어진다.)

Process Creation and Termination

Process Creation

부모 프로세스는 자식 프로세스를 생성한다. 또, 그 자식 프로세스는 다른 프로세스를 생성하여 트리 구조를 만든다.
프로세스는 프로세스 식별자 (pid)를 통해 관리된다.
Resource sharing options
- 부모와 자식은 모든 자원을 공유한다. (linux)
- 부모와 자식은 일부만 공유한다.
- 부모와 자식간에 공유하지 않는다. (windows)
Execution options
- 부모와 자식이 concurrently 하게 각각 동시 실행된다.
- 자식이 먼저 실행되고, 자식이 종료된 후 부모가 실행된다.
fork() : 새로운 프로세스 생성. (복제)
- fork()의 return 값
  - 0인 경우: 자식 프로세스임을 의미
  - else인 경우: 자식의 pid를 return함.
exec() : fork()한 후, 새로운 프로그램으로 내용을 교체한다.

예시 코드

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

int main() {
	pid_t pid;
	pid = fork();
	if (pid < 0) {
		fprintf(stderr, "fork failed");
		return 1;
	}
	else if (pid == 0) { // child process
		execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
	}
	else { // parent process
		wait(NULL); // 부모 프로세스가 자식 프로세스가 종료되길 wait
		printf("child complete");
	}
	return 0;
}

Process Termination

프로세스는 마지막 문을 실행한 다음, exit()을 실행해 OS에 종료를 요청한다.
- wait()을 통해, 자식에서 부모로 상태 데이터를 return한다. 따라서, wait()은 자식의 종료 상태를 알 수 있다.
- 프로세스가 할당 해제된다.
부모는 중단 시스템콜을 호출하여 자식 프로세스를 종료시킬 수 있다. 이것을 호출하는 이유 3가지
1. 자식이 필요 이상의 자원을 사용하기 때문에
2. 자식이 수행하고 있는 일이 필요없어졌기 때문에
3. 부모가 먼저 종료되기 때문에
부모가 종료되었을 경우 자식이 존재하는 것을 허용하지 않는 OS는, Cascading termination을 사용한다. 이는 부모가 종료될 때 모든 자식, 손자... 가 연쇄적으로 종료된다. 이 종료는 OS에 의해 시작된다.
부모 프로세스는 wait()을 호출하여 자식 프로세스가 종료되기까지 기다릴 수 있다. wait()은 종료 정보와 종료된 프로세스의 pid를 반환한다.

좀비 프로세스: 프로세스가 종료됐는데, 기다리고 있는 부모 프로세스가 없는 경우

고아 프로세스: 부모가 자식을 기다리지 않고 먼저 종료되었을 경우

Inter-process Communication (IPC)

💡 프로세스 간에 IPC가 필요한 이유?
-> 스레드는 stack 공간을 제외하고 다른 메모리 영역을 스레드 간에 공유하지만, 프로세스는 각각 독립적이다. 그러나 여러 이유에 따라 프로세스간의 협력이 필요하다. 따라서 프로세스 간 협력을 위해 IPC가 필요하다!

협력 프로세스는 다른 프로세스에 영향을 받거나, 영향을 줄 수 있다.
프로세스 협력이 필요한 이유
- information sharing
- computation speedup
- Modularity
- Convenience
IPC의 종류
- Shared memory
- Message passing

Communication Models

Message passing
- 장점: 양방향이므로 충돌할 일이 없으며, 동기화를 고려할 필요가 없다.
- 단점: 크기가 작아 커널에 매번 요청해야 하므로 속도가 느리다.
Shared memory
- 장점: 큰 데이터를 공유하기에 좋지만 충돌할 가능성이 있다.
- 단점: 동기화가 필수적이다. 따라서 복잡해질 수 있다.