[OS] 프로세스 관리

JiKwang Jeong·2022년 5월 12일
운영체제
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프로세스

프로세스의 개념

  • 실행중에 있는 프로그램
  • 프로세스의 문맥(context)
    • 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

  • 프로세스는 상태(state)가 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 event(예:I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
      공유데이터를 기다리기 위한 상태
      (예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
    • New
      프로세스가 생성중인 상태
    • Terminated
      수행이 끝난 상태

Process Control Block (PCB)

  • 운영체제 커널 주소공간의 데이터 영역에 존재
  • 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 (Context Switch를 위해)
    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 때 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)의 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save해야 하지만 문맥교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 큼

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
  • 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다

스케줄러 (Scheduler)

운영체제 코드의 일부

Long-term scheduler (장기 스케줄러 or job schedular)

  • 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)

Short-term scheduler (단기 스케줄러 or cpu schedular)

  • 어떤 프로세스를 다음번에 running시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)

Medium-term scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)

  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어
    장기스케줄러가 보통 없기 때문에 사용

프로세스의 상태

  • 프로세스는 상태(state)가 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 event(예:I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
      공유데이터를 기다리기 위한 상태
      (예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
    • Suspended (stopped) (Medium-term scheduler가 시킴)
      외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
      프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다
      (예) 사용자가 프로그램을 일시 정지 시킨 경우 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
    • Blocked와 Suspended의 차이점
      Blocked는 일을 하고 있는 상태 (나중에 ready로 변경 가능)이지만 Suspended는 일을 아예 못하게 쫓겨난 상태 (나중에 운영체제가 외부에서 직접 올려줘야지만 가능)

      시스템콜을 통해 I/O로 넘어가면 소프트웨어 인터럽트 ( Trap )이고 I/O가 일을 마치고 하드웨어 인터럽트 ( Interrupt )를 건다.

Thread

프로세스에서 실행되는 여러 흐름의 (CPU 실행) 단위
Code, data, stack 구조는 한 개만 존재

  • Thread의 구성
    • Program counter
    • register set
    • stack space
  • Thread가 동료 Thread와 공유하는 부분 (=task)
    • code section
    • data section
    • OS resources
  • Thread 장점
    • 다중 스레드로 구성된 테스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked 상태인 동안 동일한 테스크 내의 다른 스레드가 running되어 빠른 처리를 할 수 있다.
      • 웹 브라우저 호출 시 html 문서에 가능한 부분이라도 보여줌.
    • 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.
    • 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다.

스레드 구현방법

  • Kernel Threads
    운영체제가 스레드의 존재를 인지
  • User Threads
    운영체제가 스레드의 존재를 인지하지 못함
  • 실시간 구현으로 사용되기도 함

프로세스 생성

  • 부모 프로세스가 자식 프로세스 생성
  • 프로세스의 트리(계층 구조) 형성
  • 프로세스는 자원을 필요로함
    • 운영체제로부터 받는다
    • 부모와 공유한다
  • 자원의 공유
    • 부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
    • 일부를 공유하는 모델
    • 전혀 공유하지 않는 모델
  • 수행
    • 부모와 자식은 공존하며 수행되는 모델
    • 자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는(waiting) 모델
  • 주소 공간 (Address space)
    • 자식은 부모의 공간을 복사함
    • 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림

fork() 시스템콜

자식 프로세스를 만들어달라고 요청

exec() 시스템콜


execlp를 하면 덮어씌워지게 되므로 아래의 Hello는 출력되지 않음.
새로운 함수가 실행되고 다시 새로 돌아올 수 없음.

새로운 함수로 덮어 씌움.
자식에게는 다른 일을 시키고 부모는 자신이 하던 일을 계속 수행.

wait() 시스템 콜

  • 프로세스 A가 wait()를 호출하게되면
    • 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep시킨다.

exit() 시스템 콜

  • 프로세스의 종료
    • 자발적 종료
      • 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해
      • 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어줌
    • 비자발적 종료
      • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제로 종료시킴
        • 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원 요청
        • 자식에게 할당된 테스크가 더 이상 필요하지 않음
      • 키보드로 kill, break (ctrl + c) 등을 친 경우
      • 부모가 종료하는 경우
        • 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료됨

프로세스 종료

  • 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려줌 (exit)
    • 자식이 부모에게 output data를 보냄
    • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨
  • 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킴 (abort)
    • 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어섬
    • 자식에게 할당된 테스크가 더 이상 필요하지 않음
    • 부모가 종료하는 경우
      운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다.
      단계적인 종료 (제일 말단부터 죽이고 위로 통보 반복...)

프로세스 간 협력

  • 프로세스 간 협력 메커니즘
    • Message Passing
      운영체제 커널에 메시지를 전달해서 다른 프로세스가 커널에게 전달받아 메시지를 전송함
      프로세스 사이에 공유 변수를 일체 사용하지 않고 통신하는 시스템
      - Direct Communication
      통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시
      - Indirect Communication
      mailbox (또는 port)를 통해 메시지를 간접 전달
    • shared memory
      서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 shared memory 매커니즘
    • thread
      thread는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵지만 동일한 process를 구성하고 있는 thread들 간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능
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