[운영체제 공룡책] Ch 3. Processes

📍 공룡책 기반으로 학교에서 수업했던 운영체제를 정리합니다.

1️⃣ Process

• 정의 : 실행중인 프로그램
  • 프로그램 : passive entity, 실행하지 않은 상태의 실행 파일(instruction들)
  • 프로세스 : active entity, 실행 요청해서 실행중인 프로그램
• 실행중 → 프로그램 카운터(pc)가 다음 instruction과 resource에 대한 정보를 갖고 있다.
  • 프로그램 카운터 : 진행 상황 기록하는 역할. 다음에 어떤 instruction인지 저장한다.
  • 리소스 : 실제 프로그램이 돌아가는 중에 사용중인 파일, open files 등

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❗️ 그림으로 알아보는 프로세스 과정

• Disk
  • Program = binary file with machine instructions
• Main Memory
  • Program Code : 프로그램 → 프로세스가 되려면 CPU가 읽어서 처리할 수 있도록 프로그램 코드가 메인 메모리에 올라가 있어야 한다.
  • Byte Array : 메인 메모리에서는 Byte Array 방식으로 프로그램 코드가 저장되어 있다. = 바이트마다 주소가 붙어있다. 바이트 단위로 주소를 참조. 각 주소마다 8비트(= 1byte)의 데이터 저장
• CPU
  • Cache : 메인 메모리(addr)에 있는 데이터를 미리 cache에 copy 해둔다.
  • Registers : 워드(word)라는 단위(보통 2바이트 = 16bits)로 읽어와서 임시로 저장한다.
  • ALU : Arithmetic Logit Unit. 논리 연산 계산

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2️⃣ Process in Memory

• 메모리에는 하드웨어 instruction 뿐만 아니라 다른 것들도 올라간다

❗️ 고정된 크기

• Text : 프로그램 코드. read-only
  • binary. 제일 아래 부분. 프로그램을 실행하면서 바뀌지 않는 부분. 코드는 한 번 컴파일하면 바뀌지 않음. 다시 컴파일 하지 않는 이상 read-only. → 프로세스를 실행중인데 프로그램이 바뀌면 안 되니까 당연히 read-only 로 보호되어야 한다.
• Data : 전역 변수

❗️ 고정된 크기 X

• Stack : 지역 변수, parameter, return address of function
  • 지역 변수
  • 함수를 호출 했을 때 parameter
  • 함수의 반환 주소 : 함수를 호출하면, 함수 부분의 코드로 점프하고, 리턴하면 다시 원래의 함수로                                                ( ex - 예를 들면 main에서 add를 호출하면 pc가 add로 jump해서 실행하고 return을 하면 다시 원래 실행하던 main으로 돌아가기 위해서 return address를 저장하고 있어야 한다 )
  • stack frame : 함수를 호출하면 함수가 쓸 수 있는 메모리 공간이 할당되는데 그것을 stack frame이라고 한다.
  • 함수를 호출할 때 스택이 늘어나다가, 함수가 반환되면 스택이 줄어든다 → 스택은 커졌다 작아졌다 할 수 있다.
• Heap : 추가적으로 공간을 할당할 때. 동적 할당(malloc, free)

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예제)

• text : 컴파일된 binary 형태로 프로그램 코드가 들어가 있다.
• data : 초기화된 변수(x)와, 초기화가 되지 않은 변수(y)가 나뉘어져서 전역 변수가 저장된다.
• heap : malloc 함수를 통해 동적으로 할당된 버퍼(values)가 저장된다.
• stack : main 함수에게 할당된 stack frame안에 지역 변수(*values, i)와 파라미터 등이 저장된다.
• high memory : command line argument들이 argc, argv에 저장된다.
• 그 위 : kernel이 사용하는 부분

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3️⃣ Process State

• 프로세스의 상태를 OS가 관리해줘야 한다.
• 그 종류는 OS의 종류에 따라 다르다. OS-dependent
• 언제 상태가 바뀌는지 알고 있어야 한다.

• New : 프로세스가 만들어져서 시스템에 들어왔고, 실행되려면 프로세서를 받아야 한다. 아직 프로세서 못 받음
• Ready : 프로세서가 없어서 기다리고 있는 상태. 프로세스가 프로세서 할당 받기 기다리는 상태
• Running : Scheduler가 선택되어서, 프로세서가 돌아가는 상태 (싱글 코어라면 running이 1개 뿐)
• waiting : 파일을 디스크에서 읽어올 때, I/O 등등 기다릴 때
• terminated : 프로세서가 최종적으로 exit

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4️⃣ Process Control Block (PCB)

• state를 저장하기 위한 stucture(구조). OS가 프로세스마다 PCB를 관리.
• 프로세스에 대한 정보 저장하기 위한 data structrue (representation of a process)
• Kernel이 관리하는 메모리 → 프로세스가 관리하는 메인 메모리의 위쪽에 위치하고 있다. 아무나 접근 불가능.
• 프로세스의 개수에 맞게 PCB가 있다.

• process state : 프로세스 상태 (running, waiting ...)
• process number : pid, 프로세스 식별자
• program counter : 진행 상황 기록. 프로세스를 위해 실행될 다음 명령어(instruction)의 주소를 저장한다
• registers : register가 있다는 것이 아니라, register의 값을 저장하는 것이다. register 값이 계속 없데이트 될텐데, 그 값들을 backup해둔다고 생각하면 된다.
• memory limits : 메모리 얼마나 쓸 수 있는지 (os에 의해 사용된 메모리 관리 시스템 정보 - page table, segment table 등)
• list of open files : 열린 파일 목록 ( 이것 외에도 프로세스에게 할당된 I/O 디바이스 목록들이 PCB 저장된다. )
• 그 외에도 CPU 스케줄링 정보(프로세스의 우선 순위) 등 많은 정보가 저장된다

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5️⃣ Process Scheduling

• 엄청 많은 프로세스 → 스케줄링 역할도 중요
• 어떤 CPU 코어에 어떤 프로세스를 실행시킬지 결정해준다.
• 최대한 CPU를 활용해서 낭비되는 시간이 없도록 하는 것이 주요 목표
• 큐(Queue)를 활용한 스케쥴링
  • 프로세스 할당은 큐 순서 말고, 알고리즘이 알아서
  • wait queue는 상황에 맞게 여러개 있을 수 있다.
  • wait queue에서 나오면 ready queue로 간다.
  • Ready queue : 1개
  
  • Wait queues : 여러개
  
  • Queuing Diagram
    • 프로세스가 시스템에 들어가면, Ready queue에 들어가서 CPU 코어에서 실행되기를 기다린다.                                    (연결 리스트에 PCB 가리키는 포인터 저장)
    • 코어가 할당되어서 프로세스를 실행
    • → I/O 요청에 대한 대기, child 프로세스의 종료 대기, interrupt로 인한 대기 등으로 인해서 waiting queue에서 대기
    • → I/O, child 프로세스 종료, interrupt 발생 이후 다시 Ready queue로 돌아아게 된다.
      

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6️⃣ Context Switch ⭐️

• Context Switch = CPU가 어떤 프로세스를 수행하다가 다른 프로세스로 넘어가는 것
• Old Process : P0을 중단 하기 위해, P0의 PCB에 실행 중인 정보를 저장 (→ save the architectural state )
• New Process : P1이 예전에 실행되었던 데이터를 PCB에서 불러온다. (→ load the saved state )

어떤 것을 백업?

• Context : Program Counter + Registers
• pure overhead ; 관리를 위해 드는 추가 cost.
  • OS가 PCB를 잘 관리하기 위해 정보를 추가로 저장 → 상태 전환이 더 빠르게

 

cf. 심화) Time dependent on hardware support

• 컨텍스트 스위치 값이 hw support에 따라 다르다.→ 불러왔다가 다시 저장할 필요 없이, 프로세스 안에서 왔다갔다
• → hyperthreading
• → 한 CPU에 여러개의 Register를 제공 = 여러개 Context를 한번에 로드 가능
• 각 코어가 두 개 이상의 쓰레드를 처리할 수 있다고 여긴다
• → Logical(virtual) cores (↔ physical cores )

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7️⃣ Operations on Processes : Process Creation

• 생성하는 방식 : Parent 프로세스 → child 프로세스
  • 리눅스 PCB 구조체를 보면 parent라는 포인터가 있어서 부모 프로세스의 PCB를 가리키고 있다.
  • pid(process identifier)를 통해 프로세스를 구분. 자식은 부모 프로세스의 pid 값을 저장하고 있다.
• 생성, 관리 방법은 OS 마다 다르다 → 다양한 옵션이 있다.
  • Resource Sharing - 전부, 일부, 없음
  • Execution - 동시에(같이), 부모가 …
  • Address space - 복제, 자체 프로그램

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🔎 Example

• fork() : 새 프로세스 생성하는 system call
• exec() : fork 이후 프로세스 메모리 공간을 새 프로그램으로 바꿔주는 system call
• wait() : parent 프로세스가 child 프로세스의 종료를 기다리기 위해 사용하는 system call
• code example

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8️⃣ Operations on Processes : Process Termination

📍 exit()

• exit() : 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 OS에게 종료를 알려주는 System call
  • exit()이 되면
    1. 자식이 부모에게 output data를 보낸다. (→child가 끝났는지를 wait()를 통해 알 수 있다.)
    2. 프로세스의 리소스들이 OS에 의해 deallocated(반납) 된다.
  • child가 exit되면 terminated 상태가 되고, 이것이 system call로 parent로 전달되면, wait이었던 parent는 다시 ready 상태가 된다.

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📍 abort()

• abort() : 프로세스를 강제 종료해주는 system call
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 종료시키는 3가지 경우
    1. 리소스를 너무 많이 쓰면(할당 리소스를 초과)
    2. child에게 할당된 task가 더이상 필요X
    3. parent가 존재하는데 OS가 parent가 종료될 때 child가 계속되는 걸 허용하지 않을 때
    4. child 프로세스의 동작이 이상할 때 (→ 이것도 부모가 자식 상태를 알 수 있어야 함)

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• cascading termination (연쇄 종료)
  • parent가 종료되면 child가 존재할 수 없게                                                                                                                               (→ 몇몇 시스템에서는 부모 없이 자식 프로세스가 실행 될 수 없어서 종료)
  • child가 다 종료되어야 parent가 종료될 수 있도록. 차례대로 위로 올라가면서 terminate.

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• zombie & orphan process
  • wait() system call → 프로세스 상태 정보와 종료된 프로세스의 pid를 반환                                                                       → 부모 프로세스는 wait() system call을 이용하여 child 프로세스의 종료를 기다린다.

  pid = wait(&status);

  • 프로세스가 종료하면 사용하던 자원은 OS가 다시 가져가는데, 프로세스의 종료 상태가 저장되는 프로세스 테이블의 해당 항목은 부모 프로세스가 wait()를 호출할 때까지 남아있게 된다.
  • 즉, 부모 프로세스가 wait를 안 해주면 zombie가 된다.
    • 프로세스는 종료되었지만 부모 프로세스가 아직 wait()를 호출하지 않은 프로세스 = 좀비(zombie)                                       → wait를 하지 않으면 반환할 때 state를 반환할 곳이 없게 된다.
  • parent 프로세스가 wait()를 호출하지 않은 상태로 종료해버리면 갈 곳 없는 부모가 없는 orphan process 가 된다.

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9️⃣ Interprocess Communication (Models)

• 프로세스 간의 커뮤니케이션, cooperating → 다른 프로세스의 영향을 받을 수 있다.
• 협력할 수 있도록 만든 이유?
  • Information sharing : 두 개의 프로세스가 하나의 variable을 공유
  • Computation Speedup : 여러 프로세스 → task를 병렬적으로 처리
  • Modularity : 테스크를 분리 → 관리가 쉽다
  • Convenience : 분리해서 관리 → 편리함

 

•  프로세스 간의 통신(IPC) 방식 크게 두 가지→ 두 방식의 차이점, 비교! 가 중요
  
  • Shared memory : 원래 자신의 프로세스 공간 자체는 보호받아야하는데, 공유하기 위해서, 다른 프로세스가 접근할 수 있도록
  • Message Passing : 커널이 메세지 큐 관리
    • 보내고 싶은 프로세스가 메시지 큐에 메세지를 집어 넣으면 → 메세지를 읽어와서 추가적으로 공유                                          (커널 안에 메일 박스가 존재한다. 프로세스가 편지를 남겨두고, 받는 애가 읽는다)

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🔟 IPC - Shared Memory

• 프로세스 사이에 공유되는 메모리 공간이 존재
  • 커널(OS)이 직접 관여(control) X → User process 의 제어(control)로 통신 이뤄진다
• synchronize(동기화) 문제
  • p1과 p2가 모두 shared memory 공간에 접근 가능 → p1이 쓴 데이터를 p2가 덮어버릴 수 있다.                                                  : 프로세스간의 synchronization을 통해 의도치 않게 수정되거나 덮어지는걸 방지해야함

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🔎 Example

• Producer(data 만듬) ↔ Consumer(data 사용함)
• 둘 사이에 shared buffer 존재
• in, out으로 circular buffer의 시작과 끝을 표시

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🔎 POSIX

• Shared Memory API

• 프로세스가 shared memory segment 생성
  • shm_fd = shm_open(name, O_CREAT, O_RDWR, 0666); : 공간 이름, permission 등을 설정
• 오브젝트의 크기 설정
  • ftruncate(shm_fd, 4096); : file descripter, byte 설정
• shared memory object에 파일 포인터에 메모리를 맵핑
  • char *buf = mmap(); : mmap()에 의해 반환되는 포인터를 사용해서 공유 메모리에 읽고 쓸 수 있다.

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🔟 IPC - Message Passing

• shared memory는 서로 메모리를 어디에 쓸 줄 알았지만, 이거는 공유 변수에 의지하지 않는다
• 직접적으로 send(message), receive(message)
• 메세지 크기는 고정될 수도 있고, 바뀔 수도 있다!

 

• 커널이 관리해주는 communication link가 있어야 메세지를 주고받을 수 있다.
  • 서로 포트가 있어서, 포트를 열어서 어쩌고 저쩌고 하는 것처럼 커널에서 링크를 열어서 메세지를 주고받는다.
• Physical(물리적) 구현
  • shared memory에도 가능인데 차이는 send, receive로 메세지 단위로!!!
  • Hardware bus, Network(Socket)
• Logical(논리적) 구현
  • direct : 보내는 사람을 지정해놓는것 → send(Q, message); (message target의 유무 차이)
  • indirect : 일단 박스에 메세지를 넣어놓고, 필요한 사람이 가져다 쓰는 것 → send(message);
  • asynchronous : 메세지를 보내기만 한다. 받았다는 것 확인 안 하고 다른 작업 수행
  • synchronous : 동기 방식. 내가 그 메세지를 보낸 것을 받았다는 것을 확인해야 하는 것.
  • buffering : 메세지를 여러개 보낼 때, 버퍼에 메세지를 보관하거나, …