프로세스
프로세스의 개념
“Process is
a program in execution”
프로세스의 문맥(context)
특정 시점을 놓고 봤을 때 프로세스가 어디까지 수행했는지 규명하는 것
- program Counter가 어디를 가리키는가 (코드의 어느 부분까지 실행했는지)
- 현재 어떤 내용까지 스택에 쌓아놓았는가
- 현재 데이터 내부에 있는 변수의 값은 얼마인가
- 각종 register에 어떤 값을 넣어놓고 어떤 instruction까지 실행했는가
- CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
- Program Counter (어디를 가리키고 있는가)
- 각종 register (현재 어떤 값을 가지고 있는가)
- 프로세스의 주소 공간
- code, data, stack
- 프로세스 관련 커널 자료 구조 (운영체제)
- PCB(Process Control Block) - 프로세스에게 CPU와 메모리를 얼마나 할당할지, 나쁜 짓 감시
- Kernel stack - 커널에서 함수 호출 이후에 스택에 쌓일 때 프로세스별로 쌓음
프로세스들이 번갈아가면서 이용되기 때문에 (time sharing) 문맥을 알고 있어야 다음 시점의 instruction을 실행할 수 있기 때문에
프로세스 상태(Process State)
프로세스 상태 변경되며 수행
- Running: CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태
- Ready: CPU를 기다리고 있는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족)
- Blocked (wait, sleep)
- CPU를 주어도 당장 instruciton을 수행할 수 없는 상태
- Process 자신이 요청한 event(예: I/O)가 즉시 만족되지 않아 (스스로) 이를 기다리는 상태
- Suspended (stopped)
- 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
- 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다
- New: 프로세스가 생성 중인 상태
- Terminated: 수행(executation)이 끝났지만 정리할 것은 남아있는 상태
Blocked: 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
Suspended: 외부에서 resume해 주어야 Active
프로세스의 상태도
사용자 프로세스의 상태도
- runnig (user mode) : 프로세스가 자기 코드 실행
- runnig (monitor mode) : 프로세스가 실행되다가 인터럽트가 들어오면 운영체제가 코드 실행 (프로세스가 커널 모드에서 실행)
프로세스의 상태 구현 (컴퓨터 시스템 입장)
운영체제가 프로세스를 관리하기 위해서 각 프로세스마다 그 프로세스와 관련된 정보를 데이터 영역에 두고 있음 → PCB
Process Control Block (PCB)
PCB
- 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
- 다음의 구성 요소를 가짐 (구조체로 유지)
- OS가 관리상 사용하는 정보
- Process state(ready, running, blocked), Process ID
- scheduling information, priority (CPU 스케줄링-우선순위)
- CPU 수행 관련 하드웨어 값(문맥) : Program counter, registers
- 메모리 관련 : Code, data, stack의 위치 정보
- 파일 관련 : Open file descriptors …
- OS가 관리상 사용하는 정보
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 상태 PCB에서 읽어옴
- System call이나 Interrupt 발생 시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님
(1)의 경우에는 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save해야 하지만 문맥교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 큼 (eg. cache memory flush)
프로세스를 스케줄링하기 위한 큐
Job queue
현재 시스템 내 있는 모든 프로세스의 집합
Ready queues
현재 메모리 내에 있으면서 CPU 잡아서 실행되기 기다리는 프로세스의 집합
Device queues
I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
⇒ 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다
Ready Queue와 다양한 Device Queue
프로세스 스케줄링 큐의 모습
스케줄러 (Scheduler)
Long-term scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler)
⇒ admitted (new → ready queue)
- 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
- 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
- degree of Multiprogramming(메모리에 프로그램을 몇 개 올라가 있는지 나타내는 것)을 제어 → 너무 많으면 CPU가 당장 필요한 부분도 메모리에 안 올라가는 문제 생김, 너무 적으면 CPU가 노는 문제 생김 (중요 이슈)
- time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음 (무조건 ready)
Short-term scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)
- 어떤 프로세스가 다음번에 running 시킬지 결정
- 프로세스에 CPU를 주는 문제
- 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)
Medium-term Scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)
- 일단 프로세스 전부 ready로 하고, 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
- 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
- degree of Multiprogramming(메모리에 프로그램을 몇 개 올라가 있는지 나타내는 것)을 제어
프로세스
Thread
프로세스 CPU 수행 단위가 여러 개 있는 경우 Thread라고 부름
같은 일을 하는 프로세스를 여러 개 띄우고 싶으면 주소공간(프로세스)은 하나만 띄어놓고 각 프로세스마다 다른 부분의 코드를 실행할 수 있도록 하는 것(프로그램 카운트(CPU 수행 단위)만 여러 개)이 Thread
- 각 CPU 수행 단위 마다 현재 레지스터에 어떤 값을 넣고, 프로그램 카운터가 코드 어느 부분을 가리키면서 실행하고 있는 지 별도로 유지
- Thread 하나가 코드 어느 부분을 실행하다가 함수 호출하면, 그 함수를 호출하고 리턴한 정보를 스택에 쌓는데 CPU 수행단위마다 스택을 별도로 쌓음
공유할 수 있는 부분은 공유하고, 별도로 가지고 있는 것(CPU 수행과 관련된 정보) Thread간의 별도로 가지고 있음
“A thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU unilization”
구성
- program counter
- register set
- stack space
동료 thread와 공유하는 부분 (=task)
- code section
- data section
- OS resourse
전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.
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 높을 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.
- 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다. (CPU 여러 개인 컴퓨터에서만 가능)
- 작업을 별도의 프로세스로 만들어지면 메모리와 같은 자원이 낭비(독자적 주소공간 메모리 차지)되는데 다중 스레드의 경우 그러한 낭비가 없음
요약
- Responsiveness (응답성)
eg) multi-threaded Web - if one thread is bloced (eg network), another thread continues (eg display)
(기존) html 문서 읽어오는 동안 그 안에 있는 이미제 웹서버에 요청하는데 오래 걸려 프로세스를 블락시킬 것
→ (멀티스레드) html 문서 가지고 와서 이미지 파일을 웹서버에 요청한 순간에 전체가 블락되지 않고 다른 스레드 이미 읽어온 html 문서 화면에 디스플레이, 일종의 비동기식 입출력 구현방법 2
- Resource Sharing (자원공유)
똑같은 일을 하는 프로그램 여러 개 있는데 별도의 프로세스 사용하기보다는 하나의 프로세스를 만들고 그 안에 CPU 수행 단위만 여러 개 두면 코드, 데이터, 각종 자원 스레드들이 공유
- Economy (경제성)
프로세스를 하나 만드는 것은 오버헤드가 상당히 크지만, 프로세스 하나 안에다가 스레드 추가하는 것은 오버헤드가 크지 않음
더불어 문맥교환 (프로세스a → 프로세스b)은 오버헤드가 상당히 크지만 프로세스 내부에서 스레드간 CPU switch 일어나는 것은 간단 (대부분 문맥 그대로 사용)
- Utilization of MP Architectures - CPU 여러 개 있는 환경에서의 장점
프로세스는 하나지만 스레드가 여러 개 있으면, 각각의 스레드가 다른 CPU에서 병렬적으로 일을 할 수 있어 결과를 빨리 읽을 수 있음
Single and Multithreaded Processes
Implementation of Thread
- Some are supported by Kernel → Kernel Threads
- Windows 95/98NT
- Solaris
- Digital Unix, Mach
- 하나의 스레드가 다른 스레드로 넘어갈 때 커널이 CPU 스케줄링 하듯이 넘겨줌
- Other are supported by library → User Threads
- POSIX Pithreads
- Mach C-threads
- Solaris threads
- 커널이 볼 때는 일반적인 프로세스이지만, 프로세스 본인이 CPU 수행 단위 여러 개 두면서 관리하기 때문에 구현 상의 제약점이 있을 수 있음
- Some are real-time threads리얼타임 기능을 지원하는 Thread
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