운영체제 2023-03-20 수업정리

Flow

• Process
  • creation
  • hierarchy
  • termination
  • state
• Implementing Process
• Context Switch

Process

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프로세스란?

• Program in execution, 즉 실행 중인 프로그램을 프로세스라고 말한다.
• 프로세스는 아래를 포함한다.
  • CPU contexts(registers) -> 연산상태 저장
  • Program Counter, Stack Pointer -> 프로그램 실행 정보
  • OS resources(주소 공간, 파일 포인터 등)
  • Other informations(PID, state, owner, etc.)
• time-shared system에서 보안의 기본 단위가 된다.
• 프로세스는 유일한 프로세스 식별 넘버인 PID를 통해 식별된다.
• 한 개의 프로그램은 여러 개의 프로세스로 이루어질 수 있다.
• 프로세스는 아래와 같이 분류될 수 있다.
  • I/O-bound process : read/write에서 많은 시간을 소요, disk에서의 데이터 처리 속도에 더 많은영향을 받는 프로세스.(system I/O의 속도에 영향을 받는다.)
  • CPU-bound process : 행렬 곱셈 연산 등 CPU의 처리 속도에 더 많은 영향을 받는 프로세스

프로세스 생성

• 프로세스 생성 과정
  1. 프로그램을 코드 영역에서 메모리 및 프로세스 주소 공간으로 load한다.
     • 프로그램은 실행 가능한 형태로 디스크 드라이브에 저장되어 있다.
     • OS는 현재 시점에서 필요한 것들만 lazily 하게 메모리로 load한다.
  2. 프로그램의 run time stack을 할당한다.
     • stack영역에는 아래와 같은 값들이 저장된다.
       • local variables
       • function parameters
       • return address
  3. 프로그램 heap을 생성한다.
     • heap에는 명시적으로 동적 할당되어 사용되는 데이터들이 저장된다.
     • C언어에서는 malloc()을 호출하여 공간을 할당하고 free()를 호출하여 공간을 해제할 수 있다.
  4. OS는 위에서 언급한 것 이외의 초기화 동작을 수행한다.
     • Input/Output setup - 프로세스는 기본적으로 세 개의 open file descriptor를 가진다.
       • standard input, output, error
  5. 프로그램의 시작 지점(entry point, main())에서부터 프로그램을 실행한다.
     • OS는 CPU점유를 새롭게 생성된 프로세스로 넘겨준다.
• fork()
  • 프로세스를 생성하는 system call이다. 부모 프로세스를 복제한다.
  • 부모 프로세스는 대부분의 자원 및 privileges를 공유한다.(open files, UID, etc.)
  • 자식 프로세스는 부모 프로세스의 주소 공간도 복제한다.
  • 부모 프로세스는 wait()을 이용하여 자식 프로세스의 수행이 끝날 때까지 대기할 수 있다.
  • wait()을 사용하지 않았다면 자식 프로세스와 부모 프로세스는 병렬 수행된다.
  • Shell 또는 GUI는 이 system call을 자체적으로 사용한다.
• exec()
  • 현재 프로세스를 새로운 프로그램으로 교체한다.(system call 호출 즉시 자원을 점유한다.)
  • Windows 운영체제 에서는 CreateProcess() system call이 fork() + exec() 동작을 수행한다.

프로세스 계층 구조

• 아래는 유닉스 환경에서 프로세스의 계층 구조를 쉽게 이해하기 위한 도식이다.

cat file1 | wc

• shell이 parent process 이고 shell에서 실행된 cat, wc는 child process이다.
• Unix에서는 이러한 계층 구조를 process group이라고 한다.
• Windows에서는 이러한 계층 구조 개념이 존재하지 않는다.

프로세스 종료

• Normal exit(voluntary) : 할 일을 모두 수행하고 return하여 프로세스를 종료하는 경우
• Error exit(voluntary) : error가 발생하여 프로세스를 종료하는 경우
• Fatal error(involuntary) : operating system 규칙 윙반, 권한 침범으로 인한 kill process
  • Segmentation fault
  • Protection fault
  • Exceed allocated resources, etc.
• Killed by another process(involuntary) : 특정 신호 수신 등 다른 프로세스를 통해 프로세스가 종료되는 경우
  • Ctrl + C
• Zombie process : 프로세스는 종료되었지만 제거되지 않은 상태

프로세스 state

• New : 프로세스가 생성되는 상태, fork()로 인해 새롭게 프로세스가 생성되는 것을 생각할 수 있다.
• Running : 프로그램의 명령어들이 실행되고 있는 상태, exec()를 통해 프로세스가 CPU를 점유한 상태를 생각할 수 있다.
• Waiting : 프로세스가 어떠한 이벤트를 기다리고 있는 상태, wait()에 의해 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료를 기다리는 상황을 생각할 수 있다.
• Ready : 프로세스가 프로세서 자원을 할당받기를 대기하는 상태, OS에 의해 실행될 때까지 대기하는 상태이다.
• Terminated : 프로세스가 실행을 종료한 상태이다. exit()에 의해 프로세스 종료가 일어난 상황을 생각할 수 있다.

Implementing Process

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• 프로세스의 구현은 PCB(Process Control Block)자료 구조를 통해 이뤄진다.
• PCB는 TCB라고도 불린다(Task Control Block)
• 아래는 TCB를 간단하게 설명하는 그림이다.
• 대략적으로 아래와 같은 정보들이 TCB자료 구조에 저장되어 프로세스 상태를 나타낸다.
  • Process state : running, waiting 등 process state정보를 저장
  • Program Counter : 다음 실행될 명령어의 위치 저장
  • CPU register : 연산 상태를 저장하는 CPU 레지스터
  • CPU scheduling informations : 우선순위 및 scheduling queue pointers
  • Memory management information : CPU used, clock time elapsed since start, etc.
  • I/O status
  • etc.
• TCB는 프로세스 마다 다를 수 있는 거의 모든 정보들을 저장하고 있다고 생각하면 된다.
• Linux 3.2.0기준으로 TCB는 task_struct 로 구현되었으며 이 구조체의 크기는 3248바이트로 굉장히 큰 크기를 가진다.

Context Switch

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• CPU의 프로세스에서 다른 프로세스로 CPU의 점유를 넘기는 것
• 일반적으로 CPU에서는 초당 100 ~ 1000 회의 context switch가 발생한다.
• 필연적으로 overhead가 발생한다. context switch횟수를 줄일 수록 성능 향상이 있다.
• 아래는 context switch 간에 overhead가 발생하는 이유를 설명하는 도식이다.