[공룡책🦖] 프로세스

CS/운영체제

[공룡책🦖] 프로세스

설기똥꼬 2023. 7. 11. 15:36

본 포스팅은 공룡책으로 불리는 Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne의 『Operating System Concept 10th』 기반으로 정리한 글입니다.

Process Concept

프로세스란?

실행 중인 프로그램
OS의 작업 단위
하나의 프로세스가 실행되기 위해 자원 필요
- CPU, memory, files, I/O devices

프로세스 상태 정보는 (1) program counter와 (2) contents of the processor's register로 구성

프로세스 레이아웃

Text section ⇒ 명령어 실행 코드
Data section ⇒ 전역 변수들
Heap section ⇒ 함수 호출시 dynamic하게 저장되는 메모리
Stack section ⇒ 함수 파라미터, 리턴되는 주소나 지역 변수를 저장하는 일시적 데이터 저장

Text와 Data 부분은 고정
Stack와 Heap 부분은 동적
- Stack은 grow down
- Heap은 grow up

⇒ 겹치지 않게 OS가 조절

Program and Process

program : 디스크에 저장된 명령어 리스트를 포함하는 파일 (executable file)
process : 다음 실행할 명령어를 나타내는 program counter와 관련 자원 집합을 가짐
- 두 process가 동일 program과 관련되더라도 두 개의 독립된 실행 순서로 간주됨 ⇒ 이 경우 Text section은 동일하고 나머지는 다름

Process State

New : 프로세스가 막 생성된 상태
Running : CPU가 프로세스를 점유하여 프로세스를 로딩하는 상태
Waiting : 다른 프로세스가 CPU를 점유할 때
Ready : I/O 대기하고 있다가 점유할 준비, 대기중
Terminated : 프로세스 실행 끝남

processor core에서 실행될 수 있는 process는 오직 한 번에 한 개뿐이지만, ready나 waiting 상태는 많은 process들이 존재할 수 있다.

Process Control Block (PCB)

PCB는 구조체 내 프로세스가 가져야하는 모든 정보들을 저장하는 저장소이다.

프로세스마다 각각 PCB를 가지며 이는 doubly linked list로 구현된다.

각 프로세스가 가져야하는 모든 정보들을 저장한다.

Process state : new/running/ready/waiting/halted 등
Program counter : 다음 명령어의 주소
CPU registers : interrupt 발생 시 PC와 함께 상태 정보 저장하여 reschedule 후 계속 실행됨
Memory-management information
Accounting information
I/O status information

Threads

Single thread of execution

Process는 single thread를 실행하는 program
- 현대 OS 프로세스
single thread 제어는 한번에 하나의 task만 실행됨 (ex. 문자 입력과 철자 검사를 동시에 X)

Multiple Thread

Process가 여러 실행 thread만 가지고 한 번에 하나 이상의 tasks를 실행함
Multi core system인 경우 여러 thread가 병렬로 실행 가능
Thread 지원 system에서 PCB가 각 thread에 대한 정보를 포함하도록 확장

Process Scheduling

Multiprogramming

항상 process들이 실행되도록 하여 CPU 이용률을 최대화한다.

multiprogramming의 목적

동시에 여러 프로세스 실행
CPU 사용률 증가
Time sharing으로 프로세스 내 CPU core를 스위치하여 각 프로그램이 동시에 돌고 있는 것처럼 보이도록 함

Time sharing

Process 사이에서 CPU core를 자주 switch하여 user와 program이 상호작용한다.

→ core에서 프로그램을 실행하기 위해 process scheduler가 실행 가능한 process를 하나 고른다.

Single CPU core를 가진 system에서는 한 번에 한 process만 실행 가능하지만, multicore system에서는 multiple processes들이 동시에 실행될 수 있다.

이때 core의 수보다 process의 수가 더 많은 경우 process들이 wait해야 한다.

multiprogramming과 time sharing의 균형을 위해 적절히 스케줄링 해야한다.
시간 소비에 따라 I/O bound or CPU bound process로 구분된다.

Degree of multiprogramming

현재 메모리 내 process 수

Scheduling Queues

출처 : https://www.tutorialspoint.com/operating_system/os_process_scheduling.htm

Process가 system에 진입하여 Ready queue에 삽입되어 대기한다.
IO가 있으면 wait queue로 삽입된다.
Ready Queue / Wait Queue는 linked list 형태로 저장된다.
queue의 head는 첫 PCB 포인터를 가지며, 각 PCB는 다음 PCB에 대한 포인터를 가진다.

Queueing Diagram

종료 시점에 queue에서 제거되고 PCB와 자원이 해제된다.

https://www.researchgate.net/figure/Queuing-Diagram-for-Scheduling-in-OS_fig1_337448111

CPU Scheduling

process는 ready queue와 wait queue 사이를 이주한다.

CPU scheduler의 역할

ready queue에서 하나의 process를 선택하고 CPU core를 할당한다.
I/O bound process → 잠깐 실행 후 I/O 대기
CPU bound process → 오랜 기간동안 CPU core가 필요해도 장기간 할당될 가능성은 없음 (CPU를 뺏어서 다른 process에게 스케줄함)

Swapping - 메모리 과부하 상태일 때 process 제거

memory에서 process를 제거하여 다중화 정도를 낮추는 것
나중에 다시 memory로 적재되어 중단된 위치에서 계속 실행됨
swapped out = 메모리 → 디스크
swapped in = 디스크 → 메모리
- 메모리가 초과 사용되어 해제되어야할 때만 필요

Context Switch (문맥 교환)

CPU가 다른 프로세스와 CPU core를 교환하는 것
Context : PCB 내 프로세스가 사용되고 있는 상태, PCB로 보면 됨
interrupt 발생
- 실행 중인 프로세스의 현재 context 저장 (PC, 어디까지 저장했는지)
- OS는 현재 task로부터 CPU core를 뺏아 kernel 루틴을 실행하게 함
- 다른 프로세스 로딩시 저장한 context를 restore

화살표 = running 상태 / 검은 선 = wait or ready 상태

다른 process에게로 CPU core를 switching하는 것
PCB에 old process의 문맥을 저장하여 실행될 new process의 saved 문맥을 load

Operations on Processes

프로세스는 동시에 수행되고 동적으로 생성/삭제된다.

프로세스는 새로운 프로세스를 생성할 수 있다. → 부모/자식 프로세스 by fork()

Process Creation

실행 중에 process는 새로운 process를 생성한다.
- 생성한 process = 부모 process
- 생성된 process = 자식 process
부모/자식 process는 병렬적으로 실행
부모는 자식이 종료될 때까지 기다림
자식이 부모의 복제본이면 부모와 동일한 프로그램과 데이터를 가짐 [fork() system call]
자식 process가 자신에게 load되는 새로운 프로그램을 가짐

Process identifier (pid)

pid로 process를 식별
kernel 내에서 다양한 process의 속성에 접근하기 위한 index로 사용

command

ps -el : 현재 실행 중인 process들의 list를 보여줌
pstree : tree로 보여줌

systemd process (pid=1)

root parent process
모든 user process들의 부모이며 부트 시 생성되는 첫 user process
부팅되면 systemd가 추가적인 서비스를 제공하는 process를 생성함

Child process가 자원을 필요로 할 때

자식 process가 OS로부터 직접 자원을 할당받거나 부모 process 자원의 부분집합으로 제한
부모는 자식들 간 자원을 분할하여 사용하거나 자식들과 자원 공유

→ 한 프로세스가 너무 많은 자식을 생성하여 시스템을 과부하시키는 것을 막음

Child process에 필요한 data 전달

OS가 자식 process에게 자원을 전달
부모 process가 자식 process에게 초기화 data 전달

자식 process

부모로부터 자원뿐만 아니라 특권, 스케줄링 속성을 물려받음
exelip()를 이용해 자신의 주소 공간을 ls 명령어로 덮어씀

부모 process

wait() system call을 이용하여 자식 process가 끝날 때까지 기다림
자식 process 종료 시, 부모는 wait() 호출로부터 재개

UNIX OS에서의 process 생성 과정

fork() system call : 새로운 process 생성하는 시스템 콜

새로운 process는 original 주소 공간의 복사본으로 구성됨
부모와 자식이 쉽게 통신하게 함
pid = for() : 리턴 = (1) 0 (자식) (2) child의 pid (부모)

After a fork() system call

fork() 후, 한 process가 exec() system call하여 메모리 공간을 새 프로그램으로 교체
binary file을 memory로 적재하고 실행함
- 적재 : 자신을 포함한 프로그램의 메모리 이미지를 파괴(덮어쓰기)
자식을 더 생성하거나 자식이 실행되는 동안 할 일이 없으면 자식이 종료될 때까지 ready queue에서 자신을 제거하기 위해 wait() system call을 함

Process Termination

return(final Statement)로 종료를 명시하거나 exit()로 중도 out처리한다.

OS 입장에서는 메모리 및 자원 해제, 회수한다.

스스로 종료

마지막 문장을 실행하여 종료하고 exit() system call로 OS에 자신을 삭제 요청함
wait() system call을 통해 대기 중인 부모 process에 상태값이 반환됨
process의 자원들은 OS에 의해 할당이 해제되고 회수됨

다른(부모) process에 의한 종료

system call로 다른 process를 종료시킴 (TerminateProcess() in Window)
종료시키는 system call은 부모 process로부터 호출됨
process 종료를 위해서 부모는 자식의 pid를 알아야함
- process 생성 시 부모에게 pid 전달
이유
- 자식이 할당된 자원을 초과 사용한 경우
- 자식에게 할당된 task가 더 이상 필요하지 않은 경우 task 종료
- 부모가 exit시 자식이 계속 실행되는 것을 OS가 허용하지 않은 경우

Cascading termination

부모가 종료되면 자식이 존재할 수 없음 → 모든 자식이 종료되어야 함
자식이 종료될 때 pid가 return되어 부모는 어느 자식이 종료됐는지 식별
- pid = wait(%status) // exit(1) → 1인 status로 종료

사용자에 의한 종료

Process Table

PCB의 array는 현재 존재하는 모든 process의 PCB이다.

→ process의 exit status가 process table에 저장되므로 process table의 항목은 부모가 wait()를 호출할 때까지 남아있어야 한다.

Zombie Process → 정상 종료 가능

종료되었거나 부모가 아직 wait()를 호출하지 않은 process
- 자식 할 일 하게 냅워서 자식은 좀비처럼 계속 남아있음
부모가 wait()를 호출하면 좀비의 process pid와 process table의 항목이 해제됨

Orphan Process → 정상 종료 불가능

부모가 wait()를 호출하지 않고 종료한 경우 PCB에 정보가 계속 남음
이를 System 선에서 정리해야하는데, init process를 orphan process의 새로운 부모로 지정하여 해결
int이 주기적으로 wait()를 호출하여 orphan process의 exit status를 수집하고 orphan process의 id와 process table 항목을 해제함

Interprocess Communication (IPC)

Process 간 협력 이유

Information sharing
Computation speed up
Modularity

IPC Model

shared-memory model → 공유 메모리 주고 받음
- 공유 메모리 영역을 만들 때만 system call이 일어나므로 빠름
- 공유 메모리가 만들어지면 모든 접근이 일상적인 메모리 접근으로 취급되고 커널 도움 필요 없음
- process들은 동시에 동일 위치에 쓰지 않도록 책임져야 함
message-passing model → 메세지 주고 받음
- 작은 data 교환시 유용
- 분산 system 환경에서 구현 쉬움
- 느림

IPC in Shared-Memory Systems

공유 메모리 영역은 공유 메모리 segment를 생성하는 process의 주소 공간에 위치
공유 메모리 segment를 사용해 통신하기 원하는 process들은 자신의 주소 공간에 추가
process들은 동시에 동일 위치에 쓰지 않도록 책임져야함

A solution using shared-memory

producer(정보 생산)와 consumer(정보 소비)는 동시에 실행되고, CPU를 잘 나눠서 점유한다.

Complier → assembly code 생산, assembler → assembly code 소비
client-server 패러다임
동시에 실행하기 위해 producer는 buffer를 채우고, consumer는 이를 받아 사용함
producer와 consumer는 동기화되어야 함 → 생산되지 않은 정보를 소비하지 않음

Buffer

Buffer가 가득차면 Producer는 wait, 아직 모자라면 Consumer는 wait 상태를 유지한다.

unbounded buffer : consumer는 item 대기 가능, producer는 계속 생성 가능
bounded buffer : consumer는 empty일 때 대기, producer는 full일 때 대기 ⇒ 원형 배열로 구현

IPC in Message-Passing Systems

Shared-Memory system의 복잡한 내용들을 OS가 처리하게끔 한다! (By cooperating process 수단)

네트워크로 연결된 다른 컴퓨터들의 process간 통신
send(message) receive(message)
message의 길이는 고정이거나 가변이고, 통신을 원하면 message를 주고 받아야함
- fixed-sized message : 시스템 수준 구현은 단순하나 task 프로그래밍이 어려움
- variable-sized message : 시스템 수준 구현은 복잡하나 task 프로그래밍이 쉬움
Naming → 통신을 원하는 process들은 서로 통신 상대를 지정해야

Direct communication (직접 연결 통신)

recipient/sender process의 이름을 명시한다.

send(P, message) : process P에게 메세지 전달
receive(Q, message) : process Q로부터 메세지 받음
P와 Q가 직접적으로 연결됨
- communication link는 자동으로 생성되고, 하나의 링크만 성립됨

단점

process 정의에서 modularity가 제한됨
process id의 변경은 모든 다른 process 정의를 검사해서 변경해야 함
id가 직접적으로 명시되는 hard-coding 기법

Symmetry in addressing
- 통신하려면 둘 다 상대의 이름을 지정
Asymmetry in addressing
- sender만 recipient를 naming
- send(P, message)
- receive(id, message) : any process로부터 받음 (id는 통신이 일어난 process의 이름)

Indirect communication (간접 연결 통신) - mailbox

mailbox는 process들이 메세지를 저장(send)하고 제거(receive)하는 객체
두 process가 공유 mailbox를 가질 때만 통신 가능
여러 mailbox를 통해 다른 process들과 통신
send(A, message), receive(A, message) : mail box A를 통해서 통신

둘 이상의 process가 같은 mailbox를 공유하는 경우

link가 최대 두 process만 연관되도록 제한
최대 한 번에 한 process만 receive()
어떤 process가 메세지를 receive할 지 선택 (round robin)

mailbox 소유

process 소유
- 소유자(수신자)와 사용자(송신자)로 구분
- 각 mailbox마다 고유한 owner가 있음
- mailbox를 갖는 process가 종료되면 mailbox도 사라짐
- 사라진 mailbox에 메세지를 보내는 process는 mailbox가 없음을 통보받음
OS 소유
- 독립적으로 존재하여 특정 process에 속하지 않음
- process가 mailbox를 생성/삭제하는 기능을 OS가 제공
- mailbox를 생성하는 process가 owner
- mailbox에 대한 권한은 system call로 다른 process에 전달 가능

Synchronization 동기화

process 간 통신은 send() / receive() 호출로 발생
blocking (synchronous) Send : 수신될 때까지 send 대기 → 수신 후 송신
- 메세지가 받아들여질 때까지 sender는 블락됨
blocking (synchronous) Receive : 메세지가 avail할 때까지 receive 대기 → 송신 후 수신
- 메세지 available할 때까지 receiver는 블락됨
nonblocking (asynchronous) Send, Receive
- sender가 메세지 보내고 할 일 계속함
- receiver가 유효하거나 빈 메세지를 되찾아옴 (Retrieve)

⇒ send와 receive의 종류에 따라 4가지 조합 가능

Buffering

메세지는 temporary queue에 보관

Queue 세 가지 구현 방법

Zero capacity : 보관 X
Bounded capacity : N개 메세지 보관
Unbounded capacity : 무한개 보관