서까치

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[KOCW 운영체제] 3강 프로세스(Process)

3 분 소요

KOCW 이화여대 반효경 교수님의 운영체제(2014-1) 강의 정리입니다.

프로세스의 개념

프로세스의 개념

  • “Process is a program in execution”

  • 프로세스의 문맥(Context)

    • 프로세스의 현재 상태를 규명하기 위해 필요.

    • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
      • Program Counter(PC)
      • 각종 Register
      • Register가 어떤 값을 가지고 있었고, PC가 어느 명령어를 가리키고 있었는지에 대한 정보.
      • 주로 Register가 현재 어떤 값을 가지고 있었는가를 나타낸다.
    • 프로세스의 주소 공간
      • Code, Data, Stack(에 어떤 내용이 들었는가).
    • 프로세스 관련 커널 자료 구조
      • PCB(Process Control Block)
        • 운영체제는 데이터 영역에 있는 PCB를 통해 각 프로세스를 관리한다.
      • Kernel Stack
        • 시스템 콜 실행된 커널의 함수에 대한 정보를 가진다(프로세스마다 별도로 가진다).

프로세스의 상태

  • 프로세스는 상태(State)가 변경되며 수행된다.

  • Running
    • CPU를 잡고 명령어를 수행 중인 상태.
  • Ready
    • CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고).
  • Blocked(Wait, Sleep)
    • CPU를 주어도 당장 명령어를 실행할 수 없는 상태.
    • Process 자신이 요청한 event(ex. I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태.
      • I/O 등의 event를 스스로 기다리는 상태.
    • ex. 디스크에서 파일을 얽어와야 하는 경우.
  • Suspended(Stopped)
    • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태.
    • 프로세스는 통째로 디스크에서 Swap Out 된다.
    • ex. 사용자가 프로그램을 일시정지시킨 경우(Break Key), 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킨다(메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때).
  • New
    • 프로세스가 생성 중인 상태.
  • Terminated
    • 수행(Execution)이 끝난 상태.

    Blocked VS Suspended

    • Blocked: 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready.
    • Suspended: 외부에서 resume해 주어야 Active.

  • 프로세스 상태도

    프로세스 상태도

  • 프로세스 상태도 with Suspended

    프로세스 상태도 with Suspended

PCB(Process Control Block)

PCB

  • 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보.

  • 다음의 구성 요소를 가진다(구조체로 유지).

    1. OS가 관리상 사용하는 정보
      • Process State, Process ID
      • Scheduling Information, Priority
    2. CPU 수행 관련 하드웨어 값
      • Program Counter, Registers
    3. 메모리 관련
      • Code, Data, Stack의 위치 정보
    4. 파일 관련
      • Open File Descriptors(프로세스가 오픈하고 있는 파일이 어떤 것인지), 그 외 리소스와 관련된 정보들

문맥 교환(Context Switch)

문맥 교환

  • CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정.
  • CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행.
    • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장한다.
    • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어온다.

문맥 교환

  • System Call이나 Interrupt 발생 시, 반드시 Context Switch가 일어나는 것은 아니다.
    • 사용자 프로세스로부터 CPU가 운영체제로 넘어가는 것은 문맥 교환이 아니다.
    • (1)의 경우에도 CPU 수행 정보 등 Context의 일부를 PCB에 저장해야 하지만, 문맥교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 크다.
      • ex. Cache Memory Flush 👉 (2)의 경우 Cache Memory가 삭제된다.

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 Queues
    • I/O Device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합.

스케줄러(Scheduler)

  • Long-Term Scheduler(장기 스케줄러 or Job Scheduler)
    • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 Ready Queue로 보낼지 결정한다.
    • 프로세스에 Memory(및 각종 자원)을 주는 문제를 다룬다.
    • Degree of MultiProgramming을 제어한다.
      • 메모리에 올라가 있는 프로세스의 수를 제어한다.
        • 너무 적거나 많은 프로세스가 메모리에 올라가 있으면 성능 저하가 발생한다.
    • 현재 우리가 사용하는 시스템인 Time Sharing System에는 보통 장기 스케줄러가 없다(무조건 Ready).
      • 따라서, Time Sharing System은 Degree of MultiProgramming을 다루기 위해 Medium-Term Scheduler를 사용한다.
  • Short-Term Scheduler(단기 스케줄러 or CPU Scheduler)
    • 어떤 프로세스를 다음 번에 Running시킬지 결정.
    • 프로세스에 CPU를 주는 문제를 다룬다.
    • 충분히 빨라야 한다(Millisecond 단위).
  • Medium-Term Scheduler(중기 스케줄러 or Swapper)
    • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아낸다.
    • 프로세스에게서 Memory를 뺏는 문제를 다룬다.
    • Degree of Multiprogramming을 제어한다.

Thread

  • “A thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization.”

  • 프로세스 내부의 CPU 수행 단위.

    Thread

  • 주소공간이 프로세스마다 만들어지고 프로세스 상태를 관리하기 위해서 운영체제 내부에 PCB를 두고 있는데, 동일한 일을 하는 프로세스를 여러 개 띄워 두게 되면 주소공간의 낭비가 생긴다.

  • 따라서, 프로세스는 하나만 띄워 두고 CPU 수행 단위만 여러 개 둠으로써 주소공간 낭비를 막을 수 있다.

  • Thread의 구성
    • Program Counter
      • 코드의 어느 부분을 실행하고 있는지 가리킨다.
    • Register Set
      • 메모리에 세팅해놓은 레지스터 값.
    • Stack Space
      • 각 스레드의 함수 호출에 대한 정보.
  • Thread가 동료 Thread와 공유하는 부분(=Task)
    • Code Section
    • Data Section

    • OS Resources

    • 👉 다만, CPU 사용과 관련된 정보는 별도로 가지고 있다.

  • 전통적인 개념의 Heavyweight Process는 하나의 Thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.

  • Thread 사용의 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. 👉 CPU가 여러 개 있는 환경에 있을 때.
      • 여러 개의 스레드를 사용하면, 각 스레드가 서로 다른 CPU에서 병렬적으로 실행된다.
  • Thread의 구현 방법
    • Kernel Threads
      • 운영체제가 프로세스 내 스레드를 관리.
    • User Threads
      • 운영체제는 스레드의 존재를 모르고, 사용자가 Library의 지원을 받아서 스레드를 관리.

출처

참고

Toeic

최대 1 분 소요

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