[운영체제] 03. Process

Process Concept(프로세스 개념)

운영 체제는 다양한 프로그램을 실행합니다.

• 배치 시스템 - jobs
• Time-shared systems(시분할 시스템) - user programs 또는 tasks

• 교재에서는 job과 process라는 용어를 번갈아가면서 사용할 거라고 하네요

프로세스

• 실행 중인 프로그램(a program in execution)

프로세스는 다음을 포함합니다.

• 프로그램 코드(code), 텍스트 섹션(text section)이라고도 함
• 전역 변수 및 정적 변수를 포함하는 데이터 섹션(data section)
• 임시 데이터를 포함하는 스택(stack)
  • 함수 매개변수, 반환 주소, 로컬 변수
• 실행 중 동적으로 할당된 메모리를 포함하는 힙(heap)
• 프로그램 카운터(program counter), 프로세서 레지스터 등의 현재 활동

Process State(프로세스 상태)

• 프로세스가 실행되면서 상태가 변경됩니다.
  • 새로 생성됨 (New): 프로세스가 생성 중입니다.
  • 실행 중 (Running): 명령어가 실행되고 있습니다.
  • 대기 (Waiting, blocked나 sleep이라고도 함): 이벤트가 발생하기를 기다리고 있습니다.
  • 준비 완료 (Ready): 프로세스가 프로세서에 할당되기를 기다리고 있습니다.
  • 종료됨 (Terminated): 프로세스 실행이 완료되었습니다.

Diagram of Process State(프로세스 상태 다이어그램)

Process Control Block(PCB, 프로세스 제어 블록)

• 데이터를 관리하기 위한 메타데이터
  • 프로세스에 대한 프로세스 제어 블록 (PCB), 태스크에 대한 태스크 제어 블록 (TCB)
    • 예: 리눅스의 task_struct
  • 파일에 대한 파일 제어 블록 (FCB)
    • 예: 유닉스 파일 시스템의 vnode

각 프로세스와 관련된 정보

• 프로세스 ID (Process ID)
• 프로세스 상태 (Process state)
  • New, ready, running, waiting, terminated
• 프로그램 카운터 (Program counter)
  • 다음 명령어의 주소
• CPU 레지스터 (CPU registers)
  • 스택 포인터, 범용 레지스터 등
• CPU 스케줄링 정보 (CPU scheduling information)
  • 우선순위 등
• 메모리 관리 정보 (Memory-management information)
  • 페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등
• 회계 정보 (Accounting information)
  • 사용된 CPU 양 등
• I/O 상태 정보 (I/O status information)
  • 열린 파일, 할당된 I/O 장치 등

Process Scheduling Queues(프로세스 스케줄링 큐)

• Ready queue
  • 메인 메모리에 상주하며 실행을 기다리는 모든 프로세스의 집합
• Device queues
  • I/O 장치를 기다리는 프로세스의 집합
• 프로세스는 다양한 큐 사이를 이동합니다.

Ready queue와 다양한 I/O device queues

프로세스 스케줄링의 표현

Schedulers(스케줄러)

• CPU 스케줄러 (CPU scheduler)
  • 다음에 실행될 프로세스를 선택하고 CPU를 할당합니다.
• 프로세스는 다음과 같이 분류될 수 있습니다.
  • I/O 바운드 프로세스 (I/O-bound process)
    • 계산보다 I/O를 더 많이 수행합니다.
    • 짧은 CPU 버스트가 많습니다.
  • CPU 바운드 프로세스 (CPU-bound process)
    • 계산(computations)을 더 많이 수행합니다.
    • 긴 CPU 버스트가 몇 개 있습니다.
• 스케줄링 알고리즘은 나중에 학습합니다.

Context Switch(컨텍스트 스위치)

• CPU가 다른 프로세스로 전환할 때 시스템은
  • 이전 프로세스의 상태를 저장하고,
  • 새 프로세스의 저장된 상태를 로드해야 합니다.
• 컨텍스트 스위치 시간은 순수 오버헤드(overhead)입니다.
  • 전환(switching) 중 시스템은 유용한 작업을 수행하지 않습니다.
• 컨텍스트 스위치 시간은 하드웨어에 따라 다릅니다.
  • 레지스터 세트가 다릅니다.

프로세스 간의 CPU 스위치

Process Creation(프로세스 생성)

• 부모 프로세스(Parent process)는 자식 프로세스(child process)를 생성합니다.
• 자식 프로세스는 다른 프로세스를 생성합니다.
• 최종적으로 프로세스 트리를 형성합니다.

자식 프로세스는 resource를 필요로 합니다.

• OS가 제공하거나 부모가 공유합니다.

Resource sharing

• 부모와 자식이 모든 resource를 공유
• 자식이 부모의 resource 일부(subset)를 공유
• 부모와 자식이 resource를 공유하지 않음

Execution

• 부모와 자식이 동시에 실행되거나
• 부모가 자식이 종료될 때까지 기다림

Address space

• 자식이 부모를 복제하거나
• 자식에게 새로운 프로그램이 로드됨

프로세스 생성 요약

• OS 커널 내에서 PCB 생성
• 메모리 공간 할당
• 바이너리 프로그램 로드
• 프로그램 초기화

UNIX 예시

이 부분은 유닉스 프로그래밍 들었으면 잘 아는 부분일거에요

• fork system call은 새로운 프로세스를 생성합니다.
  • 부모의 PCB를 복제합니다.
  • 메모리 공간을 할당합니다.
• execve system call은 fork 이후에 사용됩니다.
  • 디스크에서 바이너리 프로그램을 로드합니다.
  • 초기화합니다.

Process Termination(프로세스 종료)

• 프로세스는 마지막 명령을 실행하고 운영 체제에 자신을 삭제하도록 요청합니다 (exit).
  • 자식 프로세스는 상태 값을 부모에게 반환합니다 (wait).
  • 자식 프로세스의 resources는 운영 체제에 의해 할당 해제됩니다.
• 부모는 자식 프로세스의 실행을 종료할 수 있습니다 (abort).
  • 자식이 할당된 자원을 초과했을 경우
  • 자식에게 할당된 작업이 더 이상 필요하지 않은 경우
• 일부 운영 체제는 부모가 종료되면 자식이 존재하는 것을 허용하지 않습니다. 프로세스가 종료되면 모든 자식도 종료되어야 합니다.
  • 계단식 종료 (cascading termination): 모든 자식, 손자 등은 종료됩니다.
  • 종료는 운영 체제에 의해 시작됩니다.
• 부모 프로세스는 wait() 시스템 호출을 사용하여 자식 프로세스의 종료를 기다릴 수 있습니다. 이 호출은 종료된 프로세스의 상태 정보와 PID를 반환합니다.

pid = wait(&status);

• 부모가 기다리지 않으면 (wait()를 호출하지 않음) 프로세스는 좀비(zombie) 상태가 됩니다.
• 부모가 wait를 호출하지 않고 종료되면 프로세스는 고아(orphan) 상태가 됩니다.

Process Creation & Termination

프로세스 생성 및 종료

• 별도의 프로세스를 포크하는 C 프로그램 예시

int main() {
  pid_t pid;
  pid = fork();
  if (pid < 0) { /* 오류 발생 */
    fprintf(stderr, "Fork Failed");
    exit(-1);
  } else if (pid == 0) { /* 자식 프로세스 */
    execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
  } else { /* 부모 프로세스 */
    wait(NULL);
    printf("Child Complete");
    exit(0);
  }
}

 

fork, exec, exit, wait  System call

 

참고)

• fork(): 부모 프로세스에서 자식 프로세스를 생성
• exec(): 자식 프로세스에서 새로운 프로그램을 로드
• exit(): 프로세스 종료
• wait(): 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료를 기다림

Cooperating Processes

• Independent process
  • 다른 프로세스의 실행에 영향을 주거나 영향을 받지 않습니다.
• Cooperating process
  • 다른 프로세스의 실행에 영향을 주거나 영향을 받습니다.

프로세스 협력(process cooperation)의 장점

• 정보 공유 (Information sharing)
  • 예: 공유 파일
• 계산 속도 향상 (Computation speed-up)
  • 하위 작업을 통한 병렬 실행
• 모듈화 (Modularity)
  • 시스템 기능을 별도의 작업으로 분할

통신 모델 (Communications models)

Producer-Consumer Problem(생산자-소비자 문제)

• 생산자 (producer) 프로세스는 소비자 (consumer) 프로세스가 소비하는 정보를 생성합니다.
  • 예: 컴파일러(compiler)는 어셈블러(assembler)가 소비하는 어셈블리 코드를 생성합니다.
  • 어셈블러(assembler)는 로더(loader)가 소비하는 오브젝트 모듈을 생성합니다.
• 무한 버퍼 (unbounded-buffer)
  • 버퍼 크기에 실질적인 제한이 없습니다.
• 유한 버퍼 (bounded-buffer)
  • 고정된 버퍼 크기를 가정합니다.

Shared memory solution(공유 메모리 솔루션)

• 공유 데이터

#define BUFFER_SIZE 10
typedef struct { ... } item;
item buffer[BUFFER_SIZE];
int in = 0;
int out = 0;

 

• in: 다음 빈 위치
• out: 첫 번째 채워진 위치
• 버퍼가 비어 있는 경우, in == out
• 버퍼가 가득 찬 경우, ((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out

 

 

Producer process

item nextProduced;
while (true) {
  /* nextProduced에 항목 생성 */
  while (((in + 1) % BUFFER_SIZE) == out) ; /* 아무것도 하지 않음 -- 빈 버퍼 없음 */
  buffer[in] = nextProduced;
  in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
}

Consumer process

item nextConsumed;
while (true) {
  while (in == out) ; // 소비할 것이 없음
  nextConsumed = buffer[out];
  out = (out + 1) % BUFFER_SIZE;
  return nextConsumed;
}

 

Message passing(메시지 전달)

• 프로세스는 주소 공간을 공유하지 않고 서로 통신합니다.

기본 연산 두 가지

• send(message)
• receive(message)

P와 Q가 통신하기를 원한다면

• 둘 사이에 통신 링크를 설정해야 합니다.
• send/receive를 통해 메시지를 교환합니다.

통신 링크 구현

• 물리적 (예: 하드웨어 버스, 네트워크 등)
• 논리적 (예: 직접/간접, 동기/비동기 등)

Direct Communication(직접 통신)

• 프로세스는 명시적으로 서로의 이름을 지정해야 합니다.
  • send(P, message) - 프로세스 P에게 메시지를 보냅니다.
  • receive(Q, message) - 프로세스 Q로부터 메시지를 받습니다.
• 프로세스의 식별자가 변경되면?
  • 모든 이전 식별자에 대한 참조를 찾아서 변경해야 합니다.

Indirect Communication(간접 통신)

메시지는 메일박스로 보내지고 메일박스로부터 수신됩니다.

• 메일박스(Mailbox)
  • 프로세스가 메시지를 놓을 수 있고, 메시지를 제거할 수 있는 객체입니다.
  • 각 메일박스는 고유한 ID를 가집니다.
  • 프로세스는 메일박스를 공유하는 경우에만 통신할 수 있습니다.
• Operations
  • 새로운 메일박스를 생성합니다.
  • 메일박스를 통해 메시지를 보내고 받습니다.
  • 메일박스를 제거합니다.
• Primitives는 다음으로 정의된다:
  
  • send(A, message) - 메일박스 A로 메시지를 보냅니다.
  • receive(A, message) - 메일박스 A로부터 메시지를 받습니다.

Synchronization(동기화)

• 메시지 전달은 blocking 또는 non-blocking이 될 수 있습니다.
• Blocking은 synchronous(동기적)으로 간주됩니다.
  • Blocking send은 메시지가 수신될 때까지 전송자를 블록합니다.
  • Blocking receive은 메시지가 올 때까지 수신자를 블록합니다.
• Non-blocking은 asynchronous(비동기적)으로 간주됩니다.
  • Non-blocking send은 전송자가 메시지를 보내고 계속 진행합니다.
  • Non-blocking receive은 수신자가 유효한 메시지 또는 null을 수신합니다.