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File metadata and controls

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3. Process

프로세스?

  • 정의: Program in execution. 실행 중인 프로그램. 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램.
  • 프로세스의 문맥(context)
    • 특정 시점에서 프로세스를 관찰했을 때,
      • 어디까지 수행을 했는지
      • 어떤 독자적인 주소 공간(코드, 데이터, 스택)을 확보하고 있는지
      • CPU의 프로그램 카운터가 메모리의 코드 영역의 어떤 Instruction을 가리키고 있는지
    • 위와 같이 프로세스의 현재 상태를 나타내는데 필요한 모든 정보를 아우르는 것을 말한다.
    1. CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
      1. Program Counter - 어떤 Instruction을 가리키고 있는지
      2. 각종 레지스터 - 어떤 값을 가지고 있는지
    2. 프로세스의 주소 공간(메모리 - 코드, 데이터, 스택)
    3. 프로세스 관련 커널 자료 구조(PCB - Process Control Block)
      1. PCB
      2. Kernel stack - 프로세스가 시스템 콜을 했을 때 운영체제가 수행해야 하는 코드가 쌓여있는, 프로세스별로 구분되어있는 별도의 커널 스택
  • 프로세스는 현대 컴퓨터 시스템에서 단독으로 실행되지 않는다. 시분할을 통한 멀티 태스킹이 기본이기 때문에, 하나의 프로세스가 CPU를 점유하고, 다시 놓아주는 것을 반복하는데, CPU가 재할당 되었을 때 이전까지의 작업 문맥을 알고있지 못하면 안되기에 중요한 개념이다. image

프로세스의 상태 (Process State)

  • 프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다.
    • Running
      • CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
    • Ready
      • CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 준비되어있음. CPU만 얻으면 실행가능한 상태)
    • Blocked (or wait, sleep)
      • CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
      • Process 자신이 요청한 event(예: I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다히는 상태
        • 예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우 등
    • New: 프로세스가 생성중인 상태
    • Terminated: 프로세스가 종료 중인 상태 (수행(execution)이 끝난 상태)

image image

각 프로세스는 Timer Interrupt에 의해서 Running 상태에서 Ready Queue의 맨 뒤로 가는 것을 반복한다. 또한, I/O 및 Event Wait에 의해서 I/O Queue의 맨 뒤로 가, Blocked상태가 되기도 한다.

이 모든 일은 커널(운영체제)의 메모리 주소에서 자신의 Data 영역에서 각 Queue를 관리 제어한다.

그림과는 달리 항상 순서대로(라운드-로빈) 이루어지는 것은 아니고, 프로세스 별 우선순위에 따라서 순서를 바꾸어가며 실행하기도 한다.

Process Control Block(PCB)

  • PCB
    • 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
    • 다음의 구성요소를 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... image

Context Switch ( 문맥 교환 )

  • CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

    • 뺏겼다가 다시 얻었을 때, 문맥을 기억했다가 그 시점으로부터 다시 시작하는 방식으로 이루어진다.

  • CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행

    • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
    • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴 image

  • System call이나 Interrupt 발생시 반드시 컨텍스트 스위치가 일어나는 것은 아님

    • 프로세스에서 단순히 OS로 CPU를 넘기는 것은 컨텍스트 스위치가 아님. 하지만 OS의 판단으로 다른 프로세스에 CPU를 넘기게 되면 컨텍스트 스위치가 일어남. image

프로세스를 스케줄링 하기 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 device 처리를 기다리는 프로세스의 집합

  • 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

    • 실제로는 각 큐에 프로세스들의 PCB를 줄세우는 것

    image image

스케줄러 ( Scheduler )

순서를 정해주는..

  • Long-term Scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler) 프로세스 상태가 new→ready로 넘어갈 때 메모리에 올라가는 것을 admitted받아야 하는데, 이것을 Long-term scheduler가 관장함

    • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
    • 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
    • degree of Multiprogramming을 제어 - 동시에 메모리에 몇 개의 프로세스를 올려놓을지를 결정
    • time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음 (무조건 ready)
    • 일반적으로 현재 사용되는 OS에는 장기 스케줄러가 없다. 장기 대신에, 보통 Medium-term Scheduler를 사용하여 degree of Multiprogramming을 제어한다.

  • Short-term Scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)

    • 어떤 프로세스를 다음번에 running시킬지 결정
    • 프로세스에 CPU를 주는 문제
    • 충분히 빨라야 함(millisecond 단위)

  • Medium-Term Scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)

    • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
    • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
    • degree of Multiprogramming을 제어

    중기 스케줄러로 인해 프로세스 상태에 하나가 추가된다. 바로 Suspended

프로세스의 상태 (Process State) (ver.중기 스케줄러)

  • 프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다.

    • Running

      • CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태

    • Ready

      • CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 준비되어있음. CPU만 얻으면 실행가능한 상태)

    • Blocked (or wait, sleep)

      • CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
      • Process 자신이 요청한 event(예: I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
        • 예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우 등

    • Suspended (stopped)

      • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
      • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out된다.
      • 예) 1. 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우(break key)
      1. 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
        • Blocked - 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
        • Suspended - 외부에서 resume해 주어야 Active image

    • 유의할 점 - 한 사용자 프로그램 프로세스가 시스템콜 등으로 커널에 CPU를 넘긴 상태에서도 해당 프로세스는 Running이라고 봐야 함. 다만 usermode가 아니라 monitor mode인 것. 이런 경우에 OS가 Running 모드라는 식으로 말하지는 않는다. image

Thread

  • 한 프로세스 내부에 CPU의 수행 단위가 여러 개 있는 것을 쓰레드라 부름

  • 프로세스가 하나 주어지면 다음과 같은 주소 공간과 PCB가 형성된다.

    image image

    같은 일을 하는 프로세스를 여러 개 띄워놓고 싶다면, 주소 공간은 하나만 띄워놓고 각 세부 프로세스마다 다른 코드를 실행할 수 있도록, 즉 CPU 수행 단위 (Instruction set)만 다르게 가져갈 수 있도록 하는 개념이 쓰레드. 프로세스 하나에서 공유할 수 있는 것은 최대한 공유하되, 자신만의 수행 단위를 저장하는 Stack과 이를 가리키는 program counter 및 reguster만 다르게 가져갈 수 있도록 한다.

  • A thread( or lightweight process) is a basic unit of CPU Utilization

  • Thread의 구성

    • program counter
    • register set
    • stack space

  • Thread가 동료 thread와 공유하는 부분(=task)

    • code section
    • data section
    • OS resources

  • 전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고있는 task로 볼 수 있다.

  • 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. - 빠른 응답성.
  • 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)가 성능 향상을 얻을 수 있다. 공유할 수 있는 부분을 공유함으로서 메모리 효율성 재고
  • 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다. (CPU가 여러 개인 환경 - 멀티프로세서 에서만 해당함)

image image

쓰레드 사용의 장점

  • Responsiveness - 응답성
    • eg) multi-threaded Web - network 요청에 의해 thread가 blocked되어도, 다른 스레드가 display를 연속적으로 작업해 준다.
  • Resource Sharing - 자원 공유
    • 복수의 스래드가 코드, 데이터 영역 및 자원을 공유한다
  • Economy - 경제성
    • 프로세스를 생성하거나 컨텍스트 스위칭하는 오버헤드 대신, 쓰레드 생성하거나 쓰레드 간의 스위치하는 것이 훨씬 가벼운 작업이다.
    • Solaris의 경우 위 두가지 작업의 오버헤드는 각각 30배, 5배
  • Utilization of MP Archetectures
    • 병렬 프로그래밍 시 각 쓰레드가 서로다른 CPU에서 병렬적으로 수행 가능

쓰레드 구현 방법

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