Process

프로세스의 개념

Process is a program in execution

• 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 (Process State)

프로세스는 상태가 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 event가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
  • 예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
• Suspended (stopped)
  - 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
  • 프로세스는 통쨰로 디스크에 swap out 된다.
  • 예) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (break key)
    시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴
    (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
• New: 프로세스가 생성중인 상태
• Terminated: 수행(execution)이 끝난 상태

Process Control Block (PCB)

운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
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 떄 운영체제는 다음을 수행
- CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
- CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

System call이나 interrupt 발생 시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님
1. 본래 실행 중인 프로세스 재실행하지만 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save
2. 발생 이후 다른 프로세스에게 CPU를 주는 경우 부담이 훨씬 큼 (eg. cache memory flush)

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• Job queue: 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready queue: 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queues: I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
  프로세스들을 각 큐들을 오가며 수행된다

Ready Queue와 다양한 Device Queue

스케줄러 (Scheduler)

1. Long-term scheduler (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)
2. Short-term scheduler (CPU scheduler)
   • 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정
   • 프로세스에 CPU를 주는 문제
   • 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)
3. Medium-term scheduler (Swapper)
   • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
   • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
   • degree of Multiprogramming을 제어

Thread

A thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization
Thread의 구성: program counter, register set, stack space
동료 thread와 공유하는 부분: 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(waiting) 상태인 동안에도 동일한 태스크 내의 다른 스레드가 실행(running)되어 빠른 처리를 할 수 있다.
동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.
스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다.

Benefits of Threads

1. Responsiveness
   • if one thread is blocked, another thread continues
2. Resource Sharing
   • n threads can share binary code, data, resources of the process
3. Economy
   • creating & CPU switching thread (rather than a process)
   • Solaris의 경우 위 두 가지 overhead가 각각 30배, 5배
4. Utilization of MP Architectures
   • each thread may be running in parallel on a different processor

Implementation of Threads

• Kernel Threads
• User Threads
• Real-Time Threads