Process

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[프로세스의 개념을 알아보자!]

프로세스(Process)

“Process is a program in execution”

프로세스의 문맥(context)

  • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
    • Program Counter 가 어디를 가르키는지!
    • 각종 register 에 어떤 값을 가지고 있는지!
  • 프로세스의 주소 공간
    • code, data, stack 에 어떤 내용이 들어가 있는지!
  • 프로세스 관련 커널 자료 구조
    • PCB(Process Control Block)
    • Kernel stack

Kernel stack

  • 각 프로세스가 자기 자신의 코드를 실행중일 때 함수호출이 이루어지면 자신의 stack에 함수를 호출한 후 리턴하고 관련 정보를 쌓음
  • 프로세스를 실행 중 본인이 할 수 없는 일을 운영체제에 요청(system call)을 하면 PC가 kernel의 코드를 실행시켜 kernel stack에 정보를 쌓음

프로세스의 상태(Process State)

  • 이 상태들은 CPU관점에서의 상태들을 나타낸다.

  • Running
    • CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
  • Ready
    • CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족한 상태)
    • 보통 Ready상태의 프로세스들이 CPU를 번갈아가면서 잡는다.
  • Blocked(wait, sleep)
    • CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
    • 프로세스 자신이 요청한 이벤트가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
    • 프로그램 본인이 CPU를 잡고 일을 하다가 I/O작업 같은 다른 오래걸리는 작업을 위해 다른곳으로 가서 CPU를 떠나서 일을 하고 있는 상태
    • 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready상태로 돌아간다.
  • Suspended(stopped)
    • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태(Swapper나 사용자에 의해서(break key))
    • 메모리를 통째로 빼앗아버리기 때문에 일을 아예 하지않고 멈춰있는 상태
    • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out된다.
    • 외부에서 resume을 해 주어야 다시 Active한 상태가 된다.
  • New
    • 프로세스가 생성중인 상태
  • Terminated
    • 수행(execution)이 끝난 상태
    • 보통 instruction이 끝나면 정리가 조금 필요하여 정리중인 상태

Process Control Block(PCB)

  • 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
  • OS가 관리상 사용하는 정보
    • Process state, Process ID
    • scheduling information, priority
  • CPU 수행 관련 하드웨어 값
    • Program counter, registers
  • 메모리 관련
    • Code, data, stack의 위치 정보
  • 파일 관련
    • Open file descriptors

문맥 교환(Context Switch)

  • CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

  • CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행

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

  • System call이나 Interrupt 발생시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님

    • 프로세스 A가 timer interrupt를 발생시킴

      -> timer intterupt는 CPU를 다른 프로세스에게 넘기기 위한 의도를 가졌기 때문에 운영체제 커널은 프로세스 A가 할당된 시간이 끝남을 알고 프로세스 B에게 CPU를 넘김

    • 프로세스 A가 I/O 같은 시간이 오래 걸리는 작업을 요청(System call)함

      -> I/O요청을 끝낸 후 프로세스 A에게 다시 CPU를 줘 봤자 당장 instruction실행이 불가하기 때문에 당장 실행 가능한 Ready상태의 프로세스 B에게 CPU를 넘김

  • 문맥교환이 일어나 CPU가 프로세스 A에서 프로세스 B로 넘어가기 위해서는 그 프로세스가 사용하던 cache memory를 전부 지워야 하기 때문에 부담이 크다.

프로세스를 스케쥴링하기 위한 큐

  • 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

  • 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

스케쥴러(Scheduler)

  • 장기 스케쥴러(Long-term scheduler or job scheduler)
    • 프로세스가 시작(New) 되어 Ready상태로 넘어오는 과정에서 admitted(메모리에 올라오는 것을 허락)을 결정
    • degree of Multiprogramming을 제어(메모리에 프로그램이 얼마나 올라갈 수 있는지를 결정)
    • 보통 우리가 사용하는 time sharing system에는 장기 스케쥴러가 없음(프로그램이 시작이 되면 곧바로 메모리에 올려버림), 이를 중기 스케쥴러에서 제어한다.
  • 단기 스케쥴러(Short-term scheduler or CPU scheduler)
    • 굉장히 짧은 시간단위로 스케쥴링이 이루어짐(millisecond 단위)
    • 다음번에 어떤 프로세스에게 CPU를 줄지(running시킬지) 결정
  • 중기 스케쥴러(Medium-term scheduler or Swapper)
    • 장기 스케쥴러에서 프로그램들을 곧바로 메모리에 모두 올려버리면 메모리에 너무 많은 프로그램이 동시에 존재하게 된다.
    • 여유 공간 마련을 위해 일부 프로세스를 골라 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아낸다.

동기식 입출력

  • 사용자 프로세스가 운영체제에게 입출력 요청을 함
  • 이 오랜 시간동안 입출력이 끝날때까지 아무일을 안하고 기다리다가 입출력이 끝나면 instruction을 수행하는 상황
  • 기다리는 동안 CPU를 계속 붙잡고 있을 수도 있고(CPU 낭비), CPU를 다른 프로세스에게 넘겨줄 수도 있다.

비동기식 입출력

  • 사용자 프로세스가 운영체제에게 입출력 요청을 함
  • 입출력이 진행되는 동안 그 프로세스가 곧바로 CPU를 잡아서 어떠한 instruction을 수행하는 상황

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