『OSC Ch 3. Process Concept』
- 본격적으로 프로세스에 대해서 다룬다.
- 디스크에 있는 것은 프로그램, 메모리에 로드된 것은 프로세스라고 한다.
- 프로세스는 Stack, Heap, Data, Code로 나뉜다:
+---------------+ max | stack | +-------+-------+ | | | | v | | | | ^ | | | | +-------+-------+ | heap | +---------------+ | data | +---------------+ | text | +---------------+ 0
Process State
+------------interrupt------------+
v |
+-----+ +-------+ +----+----+ +------------+
| new +---admitted-->| ready +---scheduler dispatch-->| running +---exit-->| terminated |
+-----+ +-------+ +----+----+ +------------+
^ +---------+ |
+-----------+ waiting |<----------+
I/O or event completion +---------+ I/O or event wait
- New: 프로세스가 처음 생성되었을 때.
- Ready: 프로세스가 프로세서에 할당되기를 기다릴 때.
- Running: 프로세스가 할당되어 실행될 때.
- Waiting: 프로세스가 이벤트를 기다릴 때.
- Terminated: 프로세스가 실행을 마쳤을 때.
Process Control Block (PCB)
- 각각의 프로세스는 자신의 정보 묶음인 PCB를 가지고 있다.
- PCB에는 프로세스 상태와 프로그램 카운터, 메모리 한계, 레지스터 정보 등이 담겨있다:
- Process state: 프로세스의 상태.
- Program counter: 해당 프로세스가 이어서 실행해야 할 명령의 주소를 가리키는 카운터.
- CPU registers: 프로세스가 인터럽트 이후 올바르게 작업을 이어가기 위해 참조하는 CPU 레지스터 값.
- CPU-scheduling information: 프로세스의 중요도, 스케줄링 큐 포인터 등 스케줄링 파라미터 정보.
- Memory-management information: base, limit 레지스터 값, 페이지 테이블 등 메모리 시스템 정보.
- Accounting information: 사용된 CPU 총량, 프로세스 개수, 시간 제한 등.
- I/O status information: 프로세스에 할당된 입출력 장치 목록, 열린 파일 목록 등.
Threads
- 프로세스를 쪼개 하나의 프로세스 안에서 동시에 여러 작업을 처리할 수 있다.
- 싱글 스레드 프로세스는 한번에 하나의 작업만 할 수 있다:
- 가령 워드 프로세서를 실행한다면 글자를 타이핑할 때 같은 프로세스 안에서 동작하는 문법 교정기가 동시에 동작할 수 없다.
Process Scheduling
- 멀티프로그래밍의 목적은 CPU를 최대로 사용하기 위해 항상 일부 프로세스를 실행하는 것.
- 시분할의 목적은 프로세스 간에 CPU를 자주 전환함으로써 사용자가 각 프로그램이 실행되는 동안 서로 상호작용할 수 있도록 만드는 것:
- 이러한 목적을 달성하기 위해 프로세스 스케줄러는 CPU에서의 프로그램을 실행을 위해 사용 가능한 프로세스를 선택한다.
- 어떤 프로세스를 프로세서에 할당할 것인가 결정하는 일을 프로세스 스케줄링이라고 한다.
Scheduling Queues
- 프로세스가 시스템에 들어오면 잡 큐(Job queue)에 들어간다:
- 잡 큐는 시스템의 모든 프로세스로 구성되어있다.
- 메인 메모리에서 실행을 기다리는 ready 상태의 프로세스들은 레디 큐(Ready queue)에 쌓인다.
- 입출력 장치를 기다리는 프로세스들은 디바이스 큐(Device queue)로 들어간다.
Schedulers
- 레디 큐에 프로세스를 옮기는 것은 잡 스케줄러, 또는 Long-term 스케줄러라고 한다.
- 프로세스를 프로세서에 할당하는 것은 CPU 스케줄러, 또는 Short-term 스케줄러라고 한다.
- Long-term 스케줄러는 CPU 밖에서 가끔 수행된다. Short-term 스케줄러는 그 반대다.
Context Switch
- 프로세스가 실행되다가 인터럽트가 발생해 운영체제가 개입하여 프로세서에 할당된 프로세스를 바꾸는 것:
- 시스템 콜을 사용해야 하는 경우 프로세스가 자체적으로 처리할 수 없기 때문에 운영체제가 개입해야 한다.
- 프로세서가 다른 프로세스로 스위치할 때, 시스템은 작업 중이던 프로세스의 상태를 저장하고 새로운 프로세스의 상태를 로드한다.
- 컴퓨터과학에서 컨텍스트는 '내 시스템에서 활용 가능한 모니터링된 정보들’을 의미한다:
- 프로세서 입장에서 컨텍스트는 PCB이기 때문에 PCB 정보가 바뀌는 것을 컨텍스트 스위치라고 부른다.
- 컨텍스트 스위치는 오버헤드가 발생하는 작업이기 때문에 너무 자주 일어나면 성능을 저하한다.
Operations on Processes
- 대부분의 시스템에서 프로세스는 동시에 실행될 수 있고, 이들은 동적으로 생성되거나 삭제될 수 있다.
- 시스템은 프로세스 생성, 삭제 메커니즘을 제공해야 한다.
Process Creation
- 프로세스는 트리 구조로 되어 있다:
- 즉, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 만든다.
- PCB에 저장된
pid값으로 프로세스를 식별하는데, 이는 운영체제가 정해준 고유 번호다. - 프로세스 생성은 플라나리아 번식과 유사하다:
- 시스템 콜의
fork()함수를 호출하면 부모 프로세스는 자신과 똑같은 자식 프로세스를 생성한다. - 자식 프로세스는
exec()를 통해 내용을 모두 바꾼다. fork()함수는 부모 프로세스에겐 자식 프로세스의pid를, 자식프로세스에겐0을 반환한다.
- 시스템 콜의
- 부모 프로세스와 자식 프로세스는 동시에 작동한다.
Process Termination
exit()를 호출하면 프로세스를 종료시킬 수 있다.- 부모 프로세스가 자식 프로세스보다 먼저 종료되면 자식 프로세스는 그 상위 프로세스를 부모 프로세스로 바라본다.
- 자식 프로세스가 종료되었는데 부모 프로세스가 자식 프로세스의 반환 정보를 회수하지 않으면:
- 자식 프로세스는 종료되었음에도 정보가 메모리에 남아 있는 좀비 프로세스가 된다.
Interprocess Communication (IPC)
- 프로세스는 독립적으로 동작하거나 서로 협력하며 동작할 수 있다.
- 협력하는 프로세스들은 통신하며 서로에게 영향을 미친다.
- IPC 모델에는 메시지 패싱(Message passing)과 공유 메모리(Shared memory)가 있다.
Message Passing
- 메시지 패싱은 우편이다.
- 송신 프로세스는 정보를 받는 수신 프로세스에게 커널을 통해 정보를 전달한다.
- 수신 프로세스는 커널에 접근해 정보를 수신한다.
- 메시지 패싱은 컨텍스트 스위치가 발생하기 때문에 속도가 느리다.
- 다만 커널이 기본적인 기능을 제공하므로 공유 메모리 방식에 비해선 구현이 쉽다.
Shared Memory
- 공유 메모리는 게시판이다.
- 특정 메모리 공간을 두 프로세스가 함께 사용하며 정보를 주고 받는다.
- 커널을 거치지 않기 때문에 속도가 빠르다.
- 메모리에 동시 접근하는 것을 방지하기 위해 프로그래머가 따로 구현을 해줘야 한다.
Producer-Consumer Problem
- 협력하는 프로세스 중 정보를 생산하는 프로세스를 생산자(Producer), 정보를 소비하는 프로세스를 소비자(Consumer)라고 한다.
- 생산자-소비자 문제는 두 프로세스가 동시에 동작할 때 일어나는 이슈:
- 보통 정보가 생산되는 속도가 소비하는 속도보다 빠르기 때문에 동기화 문제가 발생한다.
- 이를 해결하기 위해 생산된 데이터를 담아두는 버퍼(Buffer)를 사용한다:
- 크기에 한계가 있는 버퍼를 유한 버퍼(Bounded buffer)라고 한다.
- 버퍼의 시작과 끝을 이어붙여 크기가 무한한 버퍼를 무한 버퍼(Unbounded buffer)라고 한다.
Synchronization
- 메시지 패싱의 동기화 문제를 해결하기 위해 blocking 방식과 non-blocking 방식이 사용된다.
- Blocking send: 수신자가 메시지를 받을 때까지 송신자는 block된다.
- Blocking receive: 메시지를 수신할 때까지 수신자는 block된다.
- Non-blocking send: 송신자가 메시지를 보내고 작업을 계속한다.
- None-blocking receive: 수신자가 유효한 메시지나 Null 메시지를 받는다.
Sockets
- 소켓은 서버와 클라이언트가 통신하는 방식이다.
- IP주소와 포트 정보가 있으면 클라이언트는 네트워크를 통해 서버 프로세스에 접근할 수 있다.
- RPC(Remote Procedure Calls)는 프로세스와 프로세스가 네트워크로 이어져 있을 때 발생하는 호출을 말한다.
- 서버와 클라이언트가 통신할 때는 IP주소와 포트를 래핑해서 Stub으로 만들어 전송한다.
Pipes
- 파이프는 부모 프로세스와 자식 프로세스가 통신할 때 사용하는 방식이다.
- 파이프는 단방향 통신만 가능하기 때문에 양방향으로 정보를 주고 받으려면 두 개의 파이프가 필요하다.
- 파이프에 이름을 붙인 기명 파이프를 사용하면 꼭 부모-자식 관계가 아니더라도 파이프를 이용해 통신할 수 있다.
이 문서를 인용한 문서
- 『Operating System Concepts(OSC)』
-
Chapter 3. Process Concept
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