[pintOS] Project1-1. Alarm clock

📅 기간 : 2021.01.28(수) ~ 2021.01.29(금)

1. 과제 목표

호출한 프로세스를 정해진 시간 후에 다시 시작하는 커널 내부 함수를 Alarm이라 한다.
현재 핀토스에는 Busy waiting을 이용하여 구현되어 있다.
본 프로젝트에서는 알람 기능을 sleep/wake up을 이용하여 다시 구현한다.

* 배경지식

💡 Busy waiting?

Thread가 CPU를 점유하면서 대기하고 있는 상태
CPU 자원이 낭비 되고, 소모 전력이 불필요하게 낭비될 수 있음
9시에 일어나려고 알람을 맞춰놨는데 1분마다 깨서 시간을 확인하는 거라고 생각하면 이해하기 쉽다.
이런 힘든 상태인 Busy waiting을 깰 시간까지 푹 재우고, 깰 시간에 깨우는 방식이 sleep/wake up 방식이다.

💡 프로세스의 상태

프로세스는 아래 표와 같이 5가지의 상태를 가질 수 있다.

💡 핀토스에서의 스레드, 프로세스

핀토스에서는 프로세스와 스레드를 동일시하고 있다. 그래서 위의 프로세스 상태를 스레드도 똑같이 갖는다.
최신 운영체제에서는 당연히 멀티스레딩을 지원하지만,
교육용 OS인 핀토스는 프로세스당 하나의 스레드로 구성되어있다!
그래서 프로세스와 스레드를 동일하게 여기고 구현하는 것이다.

2. Busy waiting 코드

void timer_sleep(int64_t ticks)
{
	int64_t start = timer_ticks();

	ASSERT(intr_get_level() == INTR_ON);

	// busy waiting 유발 코드 
	while (timer_elapsed (start) < ticks)
		thread_yield ();

}

현재는 위 코드와 같이, 계속 확인하고 함수를 실행하는 busy waiting 방식으로 구현되어 있다.
while문을 실행하면서 thread_yield()를 호출하여 ready list 에 있는 다른 스레드를 위해 CPU 점유를 반환하고 ready list 가장 뒤로 이동한다. 이 과정은 ticks 동안 반복된다.

3. Sleep/wake up 구현

푹 쉬지 못하는 스레드를 쉬게 해주고 싶다.

자야할 애들은 본인이 block(sleep) 상태로 만들어 sleep_list에 넣어둔다. -> 깰 시간이 되면 찾아가서 다시 Ready 상태로 바꿔준다.

• thread 구조체에 본인이 깨어날 시간을 저장하는 wakeup_ticks 변수를 선언한다.
• sleep 하는 애들을 담을 sleep_list 를 정의한다.
  (반드시 thread_init함수에서 sleep_list를 초기화해야한다.)
• 지금 깨울 애들이 없는데 깨우러 다니는 낭비를 막기 위해 잠자는 애들중에 가장 먼저 일어날 애가 일어날 시각을 저장하는 next_tick_to_awake 변수를 추가한다.
• next_tick_to_awake에 대한 getter와 setter 역할을 하는 update_next_tick_to_awake, get_next_tick_to_awake 함수를 추가한다.
• 스레드를 재우고, 깨우는 thread_sleep, thread_awake 함수를 추가한다.

thread_sleep
재울 애들은 sleep_list에 추가하고 block상태로 만든다.
이 과정에서 인터럽트의 방해를 무시하고 온전히 함수 내부를 실행할 수 있어야하기 때문에 처음에 intr_disable()함수를 통해 인터럽트를 받아들이지 않도록 하고 내부가 다 실행되고 마지막 부분에 다시 intr_set_level(old_level) 함수를 통해 인터럽트를 받아들이도록 한다.

thread_awake
sleep list의 모든 entry를 순회하면서 현재 tick이 깨워야 할 tick 보다
작다면 슬립 큐에서 제거하고 unblock한다.
크다면 next_tick_to_awake변수를 갱신하기 위해 update_next_tick_to_awake()를 호출한다.

4. 결과

Thread : 0 idle ticks ... -> Thread : 550 idle ticks ...

idle 스레드는 CPU 가 아무 할일도 없을 때 실행되는 스레드로 idle tick는 idle 스레드가 실행된 tick수, 시간을 의미한다.
Busy-Waiting 방식에서는 계속 CPU가 점유되고 있어 idle 스레드가 실행될 일이 없었지만, Sleep / Wake up 방식으로 변경한 후에는 CPU가 잠자는 스레드를 점유하지 않고 idle 스레드가 점유했음을 알 수 있다.

이것은 스레드가 잠자는 동안 시스템 자원을 낭비하지 않도록 한 것이다.

🤔 회고

와.. 쉽지 않다...
정글에 오고나서 매일매일이 새롭지만, OS의 악명은 많이 들었지만, 이렇게까지 새로울 줄은 몰랐다. OS 시작 전, 3주동안 B+트리, malloc lab, 웹서버 구현을 하면서 나름 생소한 개념을 마주하는 데에 익숙해졌다고 생각했는데 전혀 아니었다. 당장 프로세스, 스레드가 구분도 안가는 상태에서 OS를 구현하라니요.. 엄청 막막했지만 역시나 삽을 들고 파다보면 어떻게든 된다. 처음에 핀토스 git clone을 받고 어디부터 봐야하는지도 몰랐는데, 일주일이 지난 지금은 project1을 완료하고 project2 시작을 앞두고 있다. 핀토스 시작하고 평균 수면시간이 확 줄었다. 아이러니한 것은 정말 힘들지만 재밌다는 점.
열심히 공부해서 project4까지 재밌게, 무사히 마쳤으면!