Multi - programing, tasking, threading
| 개념 | 설명 | 차이점 |
|---|---|---|
| MultiPrograming | 여러 프로그램을 동시에 실행하며, CPU가 프로그램을 번갈아 가며 실행한다. | CPU가 여러 프로그램을 차례로 실행하지만 동시에 실행되지 않음. (주로 I/O 작업 대기 중에 다른 작업 수행) |
| Multitasking (다중 작업) | 다중 프로그래밍을 기반으로, 작업 간 빠른 전환을 통해 CPU의 활용도를 높임. | 작업 전환이 자주 일어나며, CPU 스케줄링을 통해 작업을 관리함. (실시간으로 여러 작업을 처리하는 느낌) |
| Multithreading (멀티스레딩) | 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드를 생성하여 동시에 실행함. | 하나의 프로세스에서 여러 작업을 병렬로 처리할 수 있도록 분할. (작업이 더 세분화됨) |
- 멀티 프로그래밍 VS 멀티 테스킹 차이점
=> 멀티 프로그래밍은 한 프로세스의 작업이 길어지면 다른 프로세스는 대기해야함. 주로 I/O 작업 대기 동안만 다른 프로세서를 실행함.-> 특정 프로세스가 종료가 되어야 다음 프로세스를 진행함
=> 멀티 테스킹은 아주 짧은 시간(quantum)만 실행되고 프로세스를 스위칭 한다.(context switching)
=> 뒤에서 배우겠지만 멀티프로그램은 비선점형이고 멀티태스킹은 선점형으로 Round-Robin 방식으로 작동한다.
: 멀티 프로그래밍은 P#2부분이 싱글 프로그램이라면 원래 I/O waiting시간이지만 이 시간동안 다음 작업을 미리 수행하면서 효율성을 올린것이다.
: 멀티 태스킹은 각 프로세스를 매우 짧게 쪼개서 돌아가면서 작업을 수행하게 된다.
Process Concept
Process는 실행중인 프로그램을 의미한다. 이는 메모리에 로드되어 실행되고 있는 코드와 데이터를 포함하는 것이다.
- job 이라는 용어는 전통적으로 process와 같은 의미이다.
- 프로세스는 실행 코드와 그 코드가 사용하는 데이터로 구성된다.
Process Attribute - identification
- PID : 각 프로세스를 고유하게 식별하는 숫자.
- PPID(parents PID) : 부모 프로세스의 PID.
- UID : 프로세스가 실행 중인 사용자를 식별하는 번호이다. 특정 사용자의 권한으로 실행되고 있음을 추적하기 위해 사용됨.
- User-visible register : 프로세스가 사용하는 데이터와 변수들이 저장된 레지스터
- Control and status registers : 프로그램 카운터(PC), 스택 포인터(SP) 등 프로세스 실행 상태를 추적하는 레지스터들
PCB (Process Control Bolck)
운영 체제가 프로세스를 관리하고, 실행 상태를 저장하는 데이터 구조
: 커널영역에 저장이 되며, 프로세스의 모든 상태 정보를 관리하는 핵심 데이터 구조임
- 각 프로세스에 대한 상태 정보와 자원 할당 정보를 포함함. => 효율적으로 관리할 수 있게 함
- PCB는 프로세스의 실행을 유지하고, 문맥 전환(Context Switching) 시 필요한 정보를 저장하는 역할을 한다.
운영 체제는 CPU를 다른 프로세스로 전환할 때 PCB에 저장된 정보를 기반으로 프로세스 상태를 복구한다.
PCB는 어떤 정보를 담고 있나?
PCB는 크게 3가지 범주의 정보를 포함한다.
① 프로세스 식별 정보 (Identification Information)
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Process ID (PID): 프로세스를 고유하게 식별하는 번호
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Parent Process ID (PPID): 부모 프로세스의 ID (해당 프로세스를 생성한 프로세스)
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User ID (UID): 프로세스를 실행한 사용자 계정 정보
② 실행 상태 정보 (Execution Context)
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Process State: 현재 프로세스 상태 (Ready, Running, Waiting 등)
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Program Counter (PC): 다음에 실행할 명령어의 주소
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CPU Registers: 프로세스가 사용하는 CPU 레지스터 값 (스택 포인터, 플래그 레지스터 등)
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CPU Scheduling Information: 우선순위, 스케줄링 큐 정보 등
③ 자원 관리 정보 (Resource Management)
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Memory Management Information: 프로세스가 사용하는 메모리 위치, 페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등
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I/O Status Information: 프로세스가 사용하는 입출력 장치 상태
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Accounting Information: CPU 사용량, 실행 시간, 시스템 리소스 사용량
Context Switch
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PCB는 각 프로세스마다 독립적이다.
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CPU가 다른 프로세스로 전환할 때, 시스템은 반드시 이전 프로세스의 상태를 저장하고, 새로운 프로세스의 저장된 상태를 컨텍스트 스위칭(Context Switch)을 통해 로드한다.
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프로세스의 컨텍스트는 PCB(Process Control Block)에 저장된다.
context switch Time (문맥 전환 시간)
context switch time 과정에서 발생하는 CPU시간 소모는 실제 작업을 수행하지 않는 순수한 오버헤드다(비효율적 시간 소모)
<문맥 전환 속도에 영향을 주는 요소>
1. 메모리 속도 -> 빠를 수록 전환이 빠름.
2. 레지스터 개수 -> 많을 수록 저장할 데이터가 많아져 느려짐.
3. 특수 문맥 전환 명령어 -> 하드웨어가 지원하면 전환이 더 빠름.
4. 하드웨어 지원 → CPU가 여러 개의 레지스터 세트를 제공하면 레지스터를 복사하지 않아도 되어 속도가 향상됨.
Process Scheduling
운영 체제에서 CPU를 어떤 프로세스에게 할당할지 결정하는 역할을 수행.
= Dispatcher
Type of Scheduling Queue
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Job Queue (작업 큐)
- 시스템 존재하는 모든 프로세스에게 할당할지 결정하는 역할을 수행.
- 프로세스가 생성되면 Job Queue에 들어감.
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Ready Queue
- 메모리에 올라가 있고, 실행할 준비가 된 프로세스들만 포함.
- CPU 스케줄러가 선택해 실행할 프로세스를 세팅함.
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Device Queue
- I/O 작업을 대기하는 프로세스들이 포함.
- 프로세스는 다양한 큐 사이를 이동한다.
Lifecycle of Processes
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New: 프로세스가 생성된 초기 상태 (메모리 할당 전).
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Ready: CPU 할당을 기다리는 상태 (실행 가능, 메모리 할당 됨).
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Running: CPU에서 실제로 실행 중인 상태.
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Waiting (or Blocked): I/O 작업 완료 등 이벤트를 기다리는 상태.
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Terminated: 프로세스 실행이 종료된 상태.
Schedulers 종류
1. Long-term scheduler
새로운 프로세스를 메모리(Ready Queue)에 로드할지 결정
- 호출 시기 : 맨 처음 부팅할때, 메모리공간에 여유가 생길때
- 빈도 : 초/분 단위로 매우 드물게 호출
- 요구사항 : 상대적으로 느려도 된다.
- 주요 역할 : I/O Bound와 CPU Bound의 균형을 맞춘다.
2. Short-term scheduler
Ready Queue에 있는 프로세스 중 다음에 실행할 프로세스를 선택.
- 호출 시기 : 프로세스가 CPU를 떠날때 마다 (예: 타이머 인터럽트, I/O 요청).
- 빈도 : 밀리초(ms) 단위로 매우 빈번하게 호출.
- 요구사항 : 반드시 빨라야 함 -> context switching 오버헤드가 성능에 직접적인 영향을 미침
- 주요 역할 : 실시간 결정이 필요하므로 복잡한 알고리즘을 피한다.
3. Middle-term scheduler
- Swap Out : 프로세스 일부를 메모리에서 디스크로 잠시 이동시킨다. (메모리 공간을 비우기 위해서)
- Swap In : 나중에 그 프로세스를 디스크에서 메모리로 다시 불러온다.
참고자료
