[OS] Process

프로세스란?

프로세스는 실행중인 프로그램을 말한다.

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 문맥이란 CPU가 프로세스를 실행하면서 필요한 내용들로, 프로세스 중단 시 보존되고 다시 복구되어야 하는 프로세스의 모든 실행 정보

프로세스의 상태(Process State)

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(I/O 등)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
  • ex) 딛스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
  • 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
• suspended(stopped)
  • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
  • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다.
    • ex) 사용자가 프로그램을 일시정지 시킨 경우
    • 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴(메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때) → 중기 스케줄러에 의해
    • 외부에서 resume 해주어야 Active
• new : 프로세스가 생성중인 상태
• terminated : 수행(execution)이 끝난 상태

프로세스 상태도

프로세스 상태

각 큐는 커널 영역의 데이터 영역에 속하고, 커널 영역은 해당 자료구조를 만들어 놓고 관리한다.

Process Control Block(PCB)

운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보

다음의 구성 요소를 가진다.(구조체로 유지)

• OS가 관리상 사용하는 정보
  • Process State, Process ID
  • Scheduling Information, Priority
• CPU 수행 관련 하드웨어 값
  • Program Counter, Registers
• 메모리 관련
  • Code, Data, Stack의 위치 정보
• 파일 관련
  • Open File Descriptions

문맥 교환(Context Switch)

CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈때 운영체제는 다음을 수행

• CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
• CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어온다.

시스템 콜이나 인터럽트가 발생했다고 반드시 context switch가 일어나는 것은 아니다.

첫번째 경우 CPU 수행 정보 등 Context의 일부를 PCB에 save 해야하지만, 문맥 교환을 하는 두번째의 경우 부담이 크다(cache memory flush)

타이머 인터럽트는 의도적으로 인터럽트 이후 다른 프로세스에게 CPU를 넘기려는 인터럽트이다.

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 Queue
  • I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

또한 PCB의 포인터 공간을 큐에서 활용한다.

프로세스 스케줄링 큐의 모습

스케줄러(Scheduler)

• Long-Term Scheduler(장기 스케줄러 or Job Scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것을 Ready Queue로 보낼지 결정
  • 프로세스에 Memory(및 각종 자원)을 주는 문제
  • Degree of MultiProgramming을 제어
  • Time Sharing System에는 보통 장기 스케줄러가 없다.(무조건 Ready) → 현대의 운영체제
  • 프로세스 상태 new → ready로 변경시킨다.
  • 메모리에 몇개의 프로세스를 올릴지 결정한다.
• Short-Term Scheduler(단기 스케줄러 or CPU Scheduler)
  • 어떤 프로세스를 다음 번에 running 시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • 충분히 빨라야 한다(millisecond 단위)
• Medium-Trem Scheduler(중기 스케줄러 or Swapper)
  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫒아냄
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어

degree of Multiprogramming이란, 현재 메인 메모리에 존재하는 활성화된 일의 개수를 뜻한다. 활성화된 일이란 수행 시작은 햿지만, 종료가 안된 것을 말한다.

• 시스템콜, 인터럽트 등을 통해 커널 모드에서 프로세스가 수행될 때는 OS가 running 하고 있는게 아닌, 커널 모드에서 running 하고 있다고 한다.

• Blocked 상태, Ready 상태에서 Suspended 가 되면 부르는 용어가 다르다.
  • suspended 상태에서 I/O 작업이 완료되면 suspended ready 상태가 된다.
• 점선 아래의 상태는 모두 suspended 상태이다.

Thread

스레드는 프로세스 하나에 CPU 수행 단위 이다.

스레드는 경량 프로세스 라고도 부른다.

스레드의 구성

• program counter
• register set
• stack space

스레드가 다른 스레드와 공유하는 부분 = task

• Code 영역
• Data 영역
• OS 리소스

전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.

스레드의 장점

• 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.
• 응답성 향상 : 사용자 입장에서 빠르다 - ex) 웹 브라우저
• 자원 공유 : 여러 스레드들은 프로세스의 리소스, 코드. 데이터를 공유한다.
• 경제성 : 프로세스를 만드는 것과, 컨텍스트 스위칭 비용에 비해 스레드를 만드는 비용과, 스레드 컨텍스트 스위칭 비용이 더 싸다.(30배, 5배)
• 멀티 프로세스 아키텍처 활용 : 각 스레드는 병렬적으로 작업을 수행할 수 있다.

프로세스 내부에 CPU 관련 정보(PC, register)만 스레드마다 별도로 공간을 할당 받는다.

스레드의 구현 방법

• 운영체제의 커널을 지원 받음 → 커널 스레드
  • 커널 스레드는 스레드가 여러개 있다는 걸 커널이 알고 있다.
  • 커널 스레드에서 다른 커널 스레드로 CPU를 넘길 때 커널이 스케줄링한다.
• 라이브러리의 지원을 받음 → 유저 스레드
  • 프로세스 안에 스레드가 여러게 있다는 사실을 운영체제는 모른다.
  • 유저 프로그램이 스스로 여러 스레드를 관리한다.

둘의 차이점은 커널이 해당 스레드의 존재를 알고 있냐 모르냐이다.

http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1046323