[운영체제] Ch3. 프로세스

프로세스의 개념

: 프로세스는 실행 중인 프로그램이라는 뜻이다. 프로그램이 메인 메모리에 올라와 실행되고 있다면, (CPU가 이를 다룰 수 있는 상태) 프로세스라고 한다.

프로세스의 문맥 (context)

: 현재 어디서, 어떤 instruction을 수행했고, 어떤 상태인지를 나타내는 프로세스의 모든 실행정보.

CPU가 여러 프로세스를 왔다갔다(동적상태)하므로 이러한 문맥(어디까지 했으며, 어디서부터 다시 시작할지..)이 중요하다.

프로세스의 문맥을 나타내는 세 가지 요소를 알아보자.

• CPU 수행상태를 나타내는 하드웨어 문맥 (현재 어떤 instruction을 수행하는지 보여준다)

  : program counter가 어딜 가리키는지? / 각종 register에 어떤 내용이 담겼는지?

• 프로세스의 주소공간 (memory 방면)

  : code, data, stack

• 프로세스 관련 커널 자료구조 (커널상태 규명)

  : PCB, Kernel stack

프로세스의 상태 (Process State)

: 프로세스는 상태가 변경되며 수행된다.

• Running - CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태

• Ready - CPU를 기다리는 상태 (다른 조건은 모두 만족한 뒤)

• Blocked (wait, sleep) - CPU를 주어도 당장은 instruction을 수행할 수 없는 상태.

  프로세스 자신이 요청한 이벤트(ex. I/O)가 만족되지 않아 이를 기다리는 중. (ex. 디스크에서 파일을 읽어와야 하는 경우)

  
  

+중기 스케줄러로 인해 생긴 상태

• Suspended (stopped) - 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 강제로 정지된 상태. 프로세스는 통째로 디스크에 swap out되고, 메모리를 잃어버림. (ex. 사용자가 프로그램을 일시정지함 : break-key / 시스템이 여러 이유로 프로세스를 일시정지함)

*Blocked와 Suspended의 차이

: Blocked는 자신이 요청한 event가 완료되면 Ready.

Suspended는 외부에서 resume 해주어야 다시 active.

+)

• New - 프로세스가 생성 중인 상태
• Terminated - 수행이 끝난 상태 (종료 전 정리...)

프로세스 상태도 (1)

먼저, 상태변화에 초점을 맞춘 프로세스 상태도를 살펴보자.

1) 처음에 프로세스가 생성 중인 상태(New)

2) 프로세스가 생성되면(memory를 가지고) ready 상태

3) 본인 차례가 돼서 CPU를 얻으면 running

4-1) 자진해서 반납할 경우 -> (I/O같은 오래걸리는 작업할 때) blocked 후 결과값을 얻어서 다시 ready

4-2) 할당시간 만료로 CPU 뺏긴 경우 -> 다시 줄을 선다. (ready)

5) 본인의 역할을 다하면 상태종료 (terminated)

프로세스 상태도 (2)

이번엔 컴퓨터 시스템 입장에서의 프로세스 상태도를 살펴보자. (마치 여러 놀이기구를 운영하는 것과 비슷..)

• CPU에는 하나의 프로세스만 running 하고 있고, 시간이 다 되어 CPU를 뺏기면 Ready queue에 줄을 세움. 그 다음 프로세스가 CPU를 얻고...

• I/O 입출력이 필요하면 blocked 상태가 되어 I/O queue에 줄을 선다. 디스크는 장치 컨트롤러의 지휘 하에 요청이 들어온 내용을 순서에 맞게 처리한다. 작업이 다 끝나면 장치 컨트롤러가 CPU에게 작업이 끝났다는 인터럽트를 걸고, CPU는 하던 일을 잠시 멈추고 OS 커널이 주도권을 가져가게 됨.

커널은 1) 프로세스의 메모리 영역에 해당하는 데이터(I/O작업의 결과)를 넘겨줌

​ 2) 프로세스의 상태를 blocked에서 ready로 바꿔줌 (다시 CPU를 얻을 수 있도록)

*사실 커널이 자신의 데이터 영역에 자료구조로 queue를 만들어 놓고, 상태를 바꿔가며 운영하는 것.

프로세스 상태도 (3)

마지막으로, 사용자 프로그램의 관점에서 프로세스 상태도를 살펴보자.

running 상태를 두 가지로 나눠서 표현 (user mode / monitor mode) 했다.

유의할 점) 'OS가 running 하고 있다'라고는 표현하지 않고, '프로세스가 커널모드에서 running 하고있다'라고 함.

suspended 상태에서는 메모리를 잃어버렸으므로, CPU작업을 수행할 수가 없는 inactive 상태가 된다.

PCB (Process Control Block)

: 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보

다음의 구성요소를 가짐 (구조체로 유지)

• 1) OS가 관리상 사용하는 정보
  • Process state(프로세스가 어떤 상태인지), Process ID
  • Scheduling information, priority
• 2) CPU 수행 관련 HW 값 (문맥 관련)
  • Program counter, registers
• 3) 메모리 관련
  • code, data, stack의 위치정보
• 4) 파일 관련
  • Open file descriptors...

문맥 교환 (Context Swith)

: 한 프로세스에서 다른 프로세스로 CPU를 넘겨주는 과정.

-CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 OS는?

: CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB(in 커널 주소공간)에 저장. (여기까지 했다잉)

CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어와 HW에 복원. (어디까지 했더라? 어디서부터 해야하지?)

*system call / interrupt 발생 시, 반드시 문맥교환이 일어나는 것은 아니다. (ex. 프로그램A -> OS 커널 -> 프로그램A)

이 경우에도 약간의 정보가 PCB에 저장되지만, 문맥교환이 일어나는 경우보다 부담이 적다.

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

Job queue ) 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합

• Ready queue - 현재 메모리 내에 있으면서, CPU를 잡아 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queue - I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

=> 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

자료구조 형태로 보면,

큐에 줄 서있다는 것은 PCB를 줄세워 놓았다는 것. (pointer로 연결)

프로세스들이 다양한 큐에 줄 서서 서비스를 받기를 기다리고, OS가 관리함.

하나의 프로세스가 스케줄링 되는 모습을 표현

스케줄러 (Scheduler)

• Long-term scheduler (장기 스케줄러, job scheduler)

  : 프로세스에 memory 및 각종 자원을 주는 문제를 다룬다.

  즉, 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지(memory를 줄지) 결정한다. (New -> ready로 admitted)

  이런 방식으로 degree of Multiprogramming을 제어 (메모리에 올라가 있는 프로그램의 수를 처음부터 조절 - 프로그램이 메모리에 너무 많아도 적어도 성능 안 좋음)

  보통 우리가 사용하는 time sharing system에는 장기 스케줄러가 없다. (프로그램 실행 시키면 무조건 메모리를 주어 ready로) 중기 스케줄러가 메모리 성능 제어를 대신함.

  
  

• Short-term scheduler (단기 스케줄러, CPU scheduler)

  : 프로세스에 CPU를 주는 문제를 다룬다.

  즉, 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정한다.

  따라서 충분히 빨라야 한다. (millisecond 단위)

• Medium-term scheduler (중기 스케줄러, Swapper)

  : 프로세스에게서 memory를 '뺏는' 문제를 다룬다.

  일단 프로그램을 메모리에 다 올려놓고 여유공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 (메모리에서 디스크로) 쫓아낸다. -> (악역이지만, 장기 스케줄러보다 훨씬 더 효과적)

  이런 방식으로 degree of Multiprogramming을 제어

Thread (lightweight process)

: 프로세스를 여러 개 두지 않고, 프로세스 내부에 CPU 수행단위만 여러 개 두고 있는 것.

즉, 프로세스를 하나만 띄우고, 프로그램 카운터(현재 어느 부분을 수행하고 있는지 가리킴)만 여러 개를 두는 것.
전통적인 heavyweight process와 어떻게 다른지 알아보자.

- heavyweight process

: 하나의 thread를 가지고 있는 task

프로세스마다 주소공간이 생긴다. 그리고 프로세스 하나를 관리하기 위해 OS 내부에서 프로세스 정보가 담긴 PCB를 관리한다.

그런데 만약 동일한 일을 하는 프로세스가 여러 개 있다면, 프로세스 주소공간이 여러 개가 만들어짐. (메모리가 낭비됨)

- lightweight process

: 여러 개의 thread를 가지고 있는 task

=> 주소공간을 하나만 띄워놓고, 각 프로세스마다 다른 부분의 코드를 수행할 수 있게 해주면 된다.

CPU 수행 단위가 여러개 있으니, stack도 별도로 두어야 한다.

프로세스 여러 개를 두는 것보다 효율적이다. 프로세스 하나에서 공유할 수 있는 것들(메모리 주소, 프로세스 상태, 각종 자원)은 최대한 공유하고, CPU 수행과 관련 있는 것들(프로그램 카운터, register, stack)만 독립적으로 가진다.

Thread의 구성

: CPU 수행과 관련있는 것들을 독립적으로 가짐 (초록색)

• Program counter

• register set

• stack space

  
  

Thread가 동료 thread와 공유하는 부분 (= task)

(프로세스 1개에 여러 개의 threads와 task 1개)

• code section
• data section
• OS resources

프로세스가 하나이기 때문에 PCB도 하나만 생성됨. 그러나 PCB 안에 CPU 수행과 관련된 정보를 각 thread마다 별도의 copy(thread1, thread2, thread3)를 가지게 된다. (program counter, registers)

장점

• 다중 thread로 구성된 task 구조에서는,

  하나의 서버 thread가 blocked(waiting)상태인 동안에도,

  동일한 task 내의 다른 thread가 실행(running)되어 빠른 처리가 가능하다. (빠른 응답성 제공)

  (ex. 웹페이지 읽어올 때, img thread가 실행되는 동안 txt thread가 완료)

• 동일한 일을 수행하는 다중 thread가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능향상(자원절약)을 얻을 수 있다.

• thread를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다. (ex. CPU가 많은 컴퓨터에서만)

즉, 장점을 요약하자면

• 응답성(Responsiveness) : 일종의 비동기식 작업과 같이, 만약 한 thread(img)가 blocked 상태여도, 다른 thread(txt)가 continue. (ex. multi-threaded web)

• 자원의 공유(Resource sharing) : n개의 thread가 binary code, data, 프로세스 자원 공유.

• 경제성(Econonmy) : thread에서 creating & CPU switching(문맥교환) 하는 것이 프로세스에서 하는 것보다 빠름.

  즉, 프로세스 생성보다 thread 생성(숟가락만 얹는..)이 30배 더 빠르다. 또한, CPU 문맥교환보다는 프로세스 내에서 thread간 이동이 5배 더 빠르다.

• Utilization of MP architectures : 다른 CPU 위에서 각각의 thread들이 병렬적으로 실행된다. (다중 CPU 환경에서)

Thread 수행

• Kernel Threads (supported by Kernel)

  : 커널이 thread가 많다는 것을 OS가 알고 있다.

  ex. windows 95/98/NT, Solaris, Digital UNIX, March

• User Threads (supported by library)

  : OS는 thread가 많다는 것을 모르고, user program이 라이브러리의 지원을 받아 스스로 thread를 관리한다.

  ex. POSIX Pthreads, March C-threads, Solaris threads

• real-time threads

_-참고 : 반효경 교수님의 운영체제 강의를 듣고 학습, 정리한 내용입니다._