[OS] Chap03. Processes

해당 글은
경희대학교 조진성, 허선영 교수님의 강의 자료 및 내용을 정리한 글입니다
개인적으로 공부하며 작성된 글이라 잘못된 부분이 있을 수 있습니다!
오류가 있다면 알려주세요

 

 

 

Process

• Program
  • 프로그램이란, Disk에 저장된 파일과 같은 Passive entity
• Process
  • 실행 중인 프로그램. 메모리에 로드된 프로그램의 인스턴스 
  • program counter와 연관된 리소스의 집합을 가진 Active entity

• Disk에서 binary file 형태의 프로그램을 실행함
• Main memory로 program code가 올라감. 이는 Byte array
• CPU가 이를 처리하게 됨
  • 이때, CPU-memory 간의 처리는 느리다
  • 따라서 일부를 Cache하여, 복사하여 처리하는 방식임

 

▶Process in Memory

컴파일된 code(.exe)를 실행할 경우, Process Address Space의 형태

• Text Section
  • Compiled program code.
  • read only! 컴파일이 한 번 된 이후에 보호가 된다
• Data Section
  • global variable, Static
  • 프로그램 실행 중 항상 메모리를 차지하는 변수
• Stack Section
  • 고정된 Size가 아님
  • 함수를 호출할 때마다 늘어나고, Return되면 줄어들게 됨
  • 함수 parameters, 반환 address, Local 변수
  • Stack Frame: 각 함수에게 할당되는 메모리 공간
• Heap Section
  • Runtime 중에 동적으로 할당되는 메모리
  • new, malloc

 

▶Process State

State diagram

• New: 프로그램이 실행되면 프로세스가 만들어진다
• Ready: 만들어져서 실행이 가능한 상태. 프로세서에 할당되기를 기다릴 때
  • 해당 상태에 있는 프로세스 중 하나를 선택하는 것이 스케줄링이다.
  • Dispatch: CPU에 있는 register들에 대해서 프로세스의 상태로 복귀시킨다.
  • Interrupt가 걸린 경우 처리 하던 일을 저장하고 OS가 수행→ ready
  • 프로세스 A보다 우선 순위가 높은 프로세스 B가 Ready queue에 존재하는 경우
• Running : 스케줄러에 의해 프로세스가 할당되어 실행될 때
• Waiting: I/O 또는 event의 발생을 기다린다.
• Terminated: 프로세스가 실행을 마치고 사라짐

 

▶Process Control Block- PCB

• Process State를 저장하기 위한 Data structure
• 각각의 프로세스는 PCB를 가짐
• PCB는 kernel memory에 올라감. 쉽게 접근할 수 없음!
• Program counter: 해당 process가 이어서 실행해야할 명령의 주소를 가리킴
• Registers: Processor가 참조하는 CPU resigters의 값
• CPU scheduling information: process의 우선 순위 등의 스케줄링 정보
• Memory-management information: 프로세스에 할당된 메모리
• Accounting information: 사용 CPU량, time limits
• I/O status information: 프로세스에게 할당된 입출력 장치 목록

 

 

Process Scheduling

• 많은 프로세스가 존재할 때, 주어진 CPU core에 어떤 프로세스를 실행할 지 결정함
• Goal: 낭비되는 시간 없이, 최대한으로 CPU를 활용함
• Scheduling Queues
  • Ready queue: Main memory에 상주하며, 실행되기를 기다리는 모든 프로세스
  • Wait queue: I/O 등의 event 발생을 기다리는 모든 프로세스

• Queuing Diagram
  • 프로세스가 생성되면 Ready queue에 들어감
  • Scheduler의 선택을 받으면 CPU에서 수행됨
  • I/O를 요청하는 상황에서는 I/O queue에 들어감
  • Time slice를 모두 쓰면 Ready queue에 들어감

 

▶ Context Switch

• Context = Program Counter + Register
• CPU의 context를 $ P_0$에서 $ P_1$ 로 바꾸어야함
  • 현재 context는  $P_0$로 존재하는데, 이를 저장
  • $PCB_1$에 저장된 context를 CPU register에 넣어줌
  • 그러면 $P_0$는 Idle(ready/waiting)

 

• 이를 위해 Kernel 모드로 진입
• 따라서, 이는 Pure Overhead
  • context 교체 과정에서 생기는 메모리 낭비 (register save/load, cache 날림 ...
  • context switch time에는 system이 유용한 작업을 할 수 없음
  • 그러나 하나의 CPU에서 여러 프로세스를 실행할 수 있기에 이를 수행함
• Hyperthreading: 일부 하드웨어는 CPU 당 multiple set of registers → 한번에 여러 context를 load 가능. Physical core에 비해 많은 logical core를 활용할 수 있음!

 

 

 

Operations on processes

▶Process Creation

• Parent process - Child process
• tree of processes
• Process identifire(pid)를 통해 식별&관리
• Option
  • Resource sharing: 모든 리소스 공유 / 하위 집합을 공유 / 공유하지 않음
  • Execution: 부모, 자식 동시에 실행 / 자식이 종료될 때까지 부모는 대기
  • Address space: 자식은 부모의 복제본 / 자식에게 program이 load됨

UNIX Example

• child process pid = 0, parent process pid > 0
• wait() system call은 만든 child process가 종료되기를 대기함

 

▶Process Termination

• process가 모두 실행된 이후, exit() system call을 통해 OS에 삭제를 요청함
• wait()를 통해, child → parent로 상태 data를 반환
  • 기다리는 parent process가 없는 경우, child는 zombie
  • parent가 wait() 발생 없이 먼저 종료될 경우, child는 orphan

pid = wait(&status)

 

• OS에 의해 process의 리소스가 할당 해제됨
• Parent → child 실행을 종료: abort()
  • 할당 리소스 초과
  • child에게 할당된 작업이 더 이상 필요 없음
  • parent가 종료될 경우, child는 작업을 계속할 수 없음(Cascading termination)

 

 

 

Interprocess Communication- IPC

• 시스템의 process는 independent / coorperating
• 왜 coorperating 할까?
  • Information sharing
  • Computation speedup
  • Modularity: 각 task가 분리되어 관리가 쉬움
  • Convenience
• 이를 위해서는, Interprocess communication(IPC)가 필요함!

 

▶Shared memory

 

• A, B가 동시에 사용할 수 있는 메모리 공간을 두고 사용
• 이는 OS가 관리하는 것이 아니다. User program 단의 일
• 👍🏼 장점
  • 메모리 공간을 활용하므로, 성능 측면에서 굿
• 👎🏼 단점
  • B는 A가 memory에 접근하여 데이터를 바꾸었는지 알 수 없음
  • process 사이에서의 synchronize 관리가 중요함

 

 

• 예) Producer - Customer: Shared buffer를 두고, pointer를 옮겨가며 정보를 읽고 쓸 수 있음

index를 이동시키면서 데이터를 입력 및 사용한다. 이는 Program 내에서 수행하는 synchronize

 

• POSIX Shared Memory
  • Shared memory를 생성하고, 사이즈를 할당하고, 제어하는 Linux의 라이브러리
  • 동일한 name의 shared memory를 create
  • 각 프로세스의 기능에 따라 주어지는 권한이 다름
  • mmap() : shared memory address를 얻음

 

▶Message Passing

d

• OS에 Message queue를 두고, A가 넣어두면 B가 사용함
• Kernel 내에 존재하는 Communication Link 필요
• send(), receive()
• 👍🏼 장점
  • Synchronize는 OS 단에서 수행함
• 👎🏼 단점
  • kernel을 통해 massge가 전달됨
  • 따라서 데이터 복사가 잦아지므로, 성능 측면에서 bad
• Physical-물리적인 구현
  • Shared memory
  • Hardware bus
  • Network: 서로 port 뚫어서 통신할 수 있음

• Logical
  • Direct / Indirect(메세지의 타겟을 미리 지정 / 메세지가 필요한 사람이 가져다 씀)
  • Synchronous / Asynchronous(메세지 수신이 완료되었는지 확인 / 확인X)
  • Automatic / Explicit buffering (여러 메세지를 보낼 때 버퍼 자동 / 수동)