[OS] 프로세스

프로세스 개념

운영체제는 다양한 프로그램을 실행

배치 시스템(batch) : 작업(jobs)
시간 공유 시스템(Time-sharing) : 사용자 프로그램 또는 작업(tasks)
작업(job)과 프로세스(process)라는 용어를 거의 상호 교환적으로 사용

프로세스

실행 중인 프로그램

프로세스 종류

텍스트(text) : 프로그램 코드
데이터(data) : 전역 변수, 정적 변수
스택(stack) : 임시 데이터(함수 매개 변수, 반환 주소, 로컬 변수)
힙(heap) : 런타임 동안 동적으로 할당된 메모리
프로그램 카운터, 프로세서 레지스터 : 현재 활동

프로세스 상태

프로세스가 실행되면 상태가 변경

신규(New) : 프로세스를 만드는 중
실행(Running) : 명령이 실행되는 중
대기(Waiting : blocked, sleep) : 프로세스가 일부 이벤트가 발생하기를 기다리는 중
준비(Ready) : 프로세스가 프로세서에 할당되기를 기다리는 중
종료(Terminated) : 프로세스 실행이 완료

프로세스 상태의 다이어그램

프로세스 제어 블록

데이터 관리를 위한 메타데이터

프로세스용 프로세스 제어 블록, 태스크용 태스크 제어 블록
예) Linux에서 task_struct
파일에 대한 파일 제어 블록
예) Unix 파일 시스템의 vnode

프로세스 제어 블록

각 프로세스와 관련된 정보

프로세스 ID
프로세스 상태 : New, ready, running, waiting, terminated
프로그램 카운터(Program counter) : 다음 명령의 주소
CPU 레지스터: 스택 포인터, 범용 레지스터 등
CPU 스케줄링 정보: 우선 순위 등
메모리 관리 정보: 페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등
회계(Accounting) 정보: 사용된 CPU의 양 등
I/O 상태 정보: 파일 열기, 할당된 I/O 장치 등

프로세스 스케줄링 대기열

준비 대기열(Ready queue)

기본 메모리에 상주하고 실행을 기다리는 모든 프로세스의 집합

장치 대기열(Device queues)

I/O 장치를 대기하는 프로세스 집합

프로세스가 다양한 대기열 간에 마이그레이션됨

준비 대기열 및 다양한 I/O 장치 대기열

프로세스 스케줄링 표현

스케줄러

CPU 스케줄러

다음에 실행할 프로세스를 선택하고 CPU를 할당

프로세스 분류

I/O-bound 프로세스
계산 시간보다 입출력 작업에 더 많은 시간을 할애
짧은 CPU 버스트 수
CPU-bound 프로세스
계산에 더 많은 시간을 소비
몇 번의 매우 긴 CPU 버스트

스케줄링 알고리즘은 이후 강좌에서 다룬다.

컨텍스트 전환

CPU가 다른 프로세스로 전환될 때 시스템은

이전 프로세스의 상태를 저장
새 프로세스에 대해 저장된 상태를 로드

컨텍스트 전환 시간은 오버헤드

전환하는 동안 시스템이 유용하게 작동하지 않는다.

컨텍스트 전환 시간은 하드웨어에 따라 다르다

레지스터 세트가 다르다.

프로세스 간 CPU 전환

프로세스 생성

상위 프로세스는 하위 프로세스를 생성
이는 다른 프로세스를 생성
마지막으로, 그것은 프로세스의 트리를 형성

하위 프로세스에 리소스 필요

OS 제공, 또는
부모 공유

자원 공유

부모와 자식들은 모든 자원을 공유
자식이 부모 리소스의 하위 집합을 공유하거나
부모와 자식이 리소스를 공유하지 않는다.

실행

부모와 자식이 동시에 실행되거나
부모는 자식이 종료될 때까지 기다린다.

주소 공간

자식이 부모를 복제
자식에게 새 프로그램이 로드

프로세스 생성 요약

OS 커널 내에 PCB를 생성
메모리 공간을 할당
이진 프로그램을 로드
프로그램을 초기화

UNIX 예제

fork 시스템 호출은 새로운 프로세스를 만든다.
부모의 PCB를 복제
메모리 공간을 할당
execve 시스템 호출은 포크 뒤에 사용
디스크에서 이진 프로그램을 로드
초기화

프로세스 종료

프로세스는 마지막 문을 실행하고 운영 체제에 자체 삭제(exit)를 요청

하위 프로세스는 상태 값을 상위 프로세스로 반환(wait)
하위 프로세스의 리소스는 운영 체제에서 할당 해제

상위 프로세스의 실행을 종료(abort: 비정상적 종료)

자식이 할당된 리소스를 초과한 경우
하위에 할당된 작업이 더 이상 필요하지 않은 경우

일부 운영 체제에서는 상위 항목이 종료된 경우 하위 항목이 존재할 수 없다. 프로세스가 종료되면 모든 하위 프로세스도 종료되어야 한다.

계단식 종단(cascading termination) : 모든 자식, 손자 등이 종료
종료는 운영 체제에 의해 시작

상위 프로세스는 wait() 시스템 호출을 사용하여 하위 프로세스의 종료를 대기할 수 있다. 호출이 종료된 프로세스의 상태 정보 및 PID를 반환

pid = wait(&status);

좀비(zombie) : 대기 중인 상위 프로세스가 없는 경우 (wait()가 호출되지 않음)

고아(orphan) : 부모가 wait를 호출하지 않고 종료된 경우

프로세스 생성 및 종료

C 프로그램은 별도의 프로세스를 포킹(forking)

int main()
{
    pid_t pid;
    /* fork another process */
    pid = fork();				(1)

    if (pid < 0) { /* error occurred */
        fprintf(stderr, "Fork Failed");
        exit(-1);
    }
    else if (pid == 0) { /* child process */	(2)
        execlp("/bin/ls", "ls", NULL);		(3)
    }
    else { /* parent process */			(4)
        /* parent will wait for the child to complete */
        wait (NULL);				(5)
        printf ("Child Complete");
        exit(0);				(6)
    }
}

fork, exec, exit, wait 시스템 콜

협력 프로세스(Cooperating Processes)

독립 과정(Independent)

다른 프로세스의 실행에 의해 영향을 받거나 영향을 줄 수 없다.

협력 프로세스(Cooperating)

다른 프로세스의 실행에 의해 영향을 받거나 영향을 줄 수 있다.

협력 프로세스 장점

정보 공유
예) 공유 파일 등...
계산 속도 향상
하위 작업을 통한 병렬 실행
모듈성
시스템 기능을 별도의 작업으로 나눈다.

소통 모델(Communications models)

생산자-소비자 문제(Producer-Consumer Problem)

생산자 프로세스는 소비자 프로세스에 의해 소비되는 정보를 생산

어셈블리 코드 : 컴파일러가 생산, 어셈블러에 의해 소비
객체 모듈 : 어셈블러가 생산, 로더(loader)에 의해 소비

unbounded 버퍼

버퍼 크기에 실질적인 제한 X

bounded 버퍼

고정 버퍼 크기로 가정

공유 메모리 솔루션(Shared memory solution)

공유 데이터(Shared data)

#define BUFFER_SIZE 10

typedef struct {
  . . .
} item;

item buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;

in: 다음으로 비어있는 위치
out: 처음으로 차있는 위치
버퍼가 비어 있을 때 : in == out
버퍼가 꽉 찼을 때 : ((in + 1)%BUFFER_SIZE) == out

생산자 프로세스(Producer process)

item nextProduced;

while (true) {
	/* Produce an item in nextProduced */
	while (((in + 1) % BUFFER SIZE) == out); /* do nothing -- no free buffers */
	buffer[in] = nextProduced;
	in = (in + 1) % BUFFER SIZE;
}

소비자 프로세스(Consumer process)

item nextConsumed;

while (true) {
	while (in == out); // do nothing -- nothing to consume
	nextConsumed = buffer[out];
	out = (out + 1) % BUFFER SIZE;
	/* consume the item in nextConsumed */
	return item;
}

메시지 전달(Message passing)

프로세스는 주소 공간을 공유하지 않고 서로 통신

두 가지 기본 작업

메세지 송신(send)
메세지 수신(receive)

P와 Q가 소통할때 필요한 것

P, Q 사이에 소통의 링크를 구축
송신(send)/수신(receive)를 통한 메시지 교환

통신 링크 구현

물리적(예: 하드웨어 버스, 네트워크 등)
논리적(예: 직접/간접(direct/indirect), 동기/비동기(synchronous/asynchronous) 등)

직접 통신

프로세스는 서로 명시적으로 이름을 지정

송신(P, 메시지) : 프로세스 P에게 메시지를 송신(to P)
수신(Q, 메시지) : 프로세스 Q로부터 메시지를 수신(from Q)

프로세스의 식별자가 변경되는 경우

이전 식별자에 대한 모든 참조를 찾아 변경해야 한다.

간접 통신

메시지는 사서함과 주고받는다.

사서함(Mailbox)
프로세스에서 메시지를 넣고 메시지를 제거할 수 있는 개체
각 사서함은 고유 ID
프로세스는 사서함을 공유하는 경우에만 통신 가능
운영
사서함을 새로 만든다.
사서함을 통해 메시지를 주고받는다.
사서함을 없앤다.
원시 요소 정의:
송신(A, 메시지) : 사서함 A에게 메시지를 송신(to A)
수신(A, 메시지) : 사서함 A로부터 메시지를 수신(from A)

동기화(Synchronization)

메시지 전달(message passing)은 차단(blocking) 또는 비차단(non-blocking)

차단(blocking)은 동기

송신 차단 : 메시지가 수신될 때까지 송신자를 차단
수신 차단 : 메시지가 사용가능 할 때까지 수신자를 차단

비차단(non-blocking)은 비동기

송신 비차단 : 송신자가 메시지를 전송하고 계속
수신 비차단 : 수신자가 유효한 메시지 또는 null을 수신

요약

프로세스
실행 중인 프로그램
1. 메모리 주소 공간(텍스트/데이터/스택/히프)
2. 레지스터
3. 기타 리소스(열린 파일, 세마포어 등)
PCB(Process Control Block)
각 프로세스와 관련된 정보 저장
CPU 스케줄러
다음에 실행할 프로세스를 선택하고 CPU를 할당
프로세스의 트리
상위 프로세스는 하위 프로세스를 생성하고 하위 프로세스는 다른 프로세스를 생성
대부분의 경우 프로세스는 서로 협력해야 한다.

저작자표시 변경금지

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