[OS] 2. Process Description and Control

본 게시글은 PC버전에 최적화 되어 있습니다.

 

Operating Systems, Internals and Design Principles (9th Ed.), William Stallings, Pearson, 2017

1. What is a Process

프로세스는 실행상태에 있는 프로그램.

 

프로세스는 누가 만들어?

1. GUI를 통한 입력으로 사용자가

2. 다른 프로세스에 의해

-> 결과적으로는 커널이 생성

2. Process States

Dispatcher에 의해 프로세스에서 다른 프로세스로 전환 가능.

Dispatcher는 문맥 전환을 가능하게 해주는 OS의 기능. 프로세스를 실행하는 역할.

 

Process Scheduling로 우선 순위에 따른 전환.

Waiting time과 Priority에 기반하여 작업을 수행.

Waiting time이 더 길다고 무조건 우선순위가 높은 것은 아님! -> 예외 상황 : I/O가 진행중인 경우 우선순위 무시.

1) Process Termination

1. 수행이 완료됐거나

2. 에러가 발생했거나

3. 부모의 요청에 의해 프로세스는 종료될 수 있다.

2) Process State

 

Process States

 

Single Blocked Queue

1. Running 상태

foreground : interactive mode

background : batch mode

 

2. Not Running 상태

Ready : 실행 중은 아니지만 즉시 실행 가능한 상태. time slice가 다 된 경우. ready 상태인 경우 queue에 저장.

Block : 실행 시킬 수 없는 상태. 특정 이벤트를 기다리는 상태. block 역시 queue에 저장.

 

Multiple Blocked Queues

특정 이벤트별로 queue를 만들어서 좀 더 효율적으로 처리가 가능하도록 구현.

 

Suspended : block 상태인 프로세스도 메모리를 점유하고 있음 -> 메모리 절약을 위해 swap 공간에 보낸다.

suspended 역시 ready 상태와 block 상태가 있음.

I/O를 기다리고 있는 프로세스를 suspended로 보냈는데 time slice가 되기 전에 I/O가 완료된 경우 suspened ready로 전환.

 

Terminate :종료된 좀비상태. 프로세스는 종료됐지만 PCB, 즉 프로세스에 관한 정보는 반납되지 않음. Wait을 통해 제거.

3) 최종적인 상태도

 

최종적인 상태도

3. PCB

 

PCB

운영체제에 의해 만들어지고 관리된다.

프로세스에 관한 정보를 담고 있는 운영체제의 자료구조.

프로세스 상태, 실행 정보, 메모리 주소, CPU Register, Pid, PPid 등등 다양한 정보를 포함.

 

ID : 어떤 프로세스인지 식별해야한다. PID, PPID, PGID

상태 : 프로세스 상태

우선 순위 : 프로세스의 실행 순서

자원 사용정보 통계 : 정보 저장

위치 정보 : 메모리에서의 주소

데이터 : 사용자가 입력한 데이터

 

하나의 프로세스 = 하나의 PCB

 

리눅스에서는 프로세스 디스크립터라고 부름.

리눅스에서는 Process List를 통해 관리.

1) Process List

Linked List 형태로 next_task와 prev_task로 모든 프로세스들이 연결되어 있다.

프로세스가 연결된 형태가 아닌 PCB가 연결된 형태.

Ready Queue의 경우 next_run과 prev_run으로 연결되어 있다.

4. Context

User Context와 System Context로 분류.

User Context에는 Code, Data, User Stack이 저장.

 

초기화 되지 않은 전역 변수 : Data 영역

초기화 된 전역 변수 : Bss 영역

지역 변수 : Stack 영역

 

System Context에는 Kernel Stack과 PCB가 저장.

5. Process Control

프로세스들은 커널에 의해 실행된다.

유저모드와 시스템모드를 왔다갔다하면서 실행하는데 이를 Mode change라고 함.

유저모드보다 시스템모드가 권한이 더 많다.

(프로세스들간의 전환은 Context Switch)

 

프로세스를 생성하는 과정은

1. PCB를 먼저 생성 (프로세스는 고유한 PCB를 갖고 있으므로)

2. PID를 할당

3. PCB에 값을 채우고

4. User Context를 생성 -> 시간이 가장 오래 걸리는 작업

5. 생성한 PCB의 상태를 Ready 상태로 변경

6. 자식 프로세스인 경우 pid에 0을 리턴

1) fork()

user context에서 code 영역은 그대로 둔 채 data와 stack 영역만 복사 -> code 영역을 복사하지 않는 이유는 메모리 절약을 위해.

 

COW

COW(Copy on Write) : 메모리 절약을 위해 개발한 방법

fork를 했을 때 code, data, stack 부모와 같은 영역을 가르키게 하고, 값의 변경이 있는 경우 해당 영역을 복사하는 방식.

2) exec()

 

exec

fork()를 해서 자식 프로세스를 만들고 exec()가 실행되면 user context와 연결된 모든 고리를 끊고 새로운 user context와 연결

6. Context Switch

1) 발생 조건

1. 프로세스가 종료된 경우 -> Wait으로 회수

2. Time slice가 발생한 경우 -> Ready Queue로

3. I/O 같은 System Call이 발생한 경우 -> Blocked Queue(Suspended Queue)로

4. 인터럽트가 발생한 경우

2) 실행 단계

문맥 전환이 발생하면 실행 중인 프로세스의 PCB를 업데이트하고 Queue로 보낸다.

새로 실행할 프로세스를 Process Scheduling으로 정하고 상태를 변경한다.

새로 실행할 프로세스의 PCB 값으로 작업을 수행한다.

3) 종료 조건

1. exit() -> 정상적인 경우

2. signal(interrupt)

3. kill

 

종료되면 zombie, terminated 상태로 남아있음.

wait를 통해 PCB를 회수해가야함. wait 실행되면 부모 프로세스에게 PCB 내의 정보 전달.

 

Q. 만약 자식 프로세스가 있는 부모가 종료되면?

A. init 프로세스가 새로운 부모가 된다. (유닉스, 리눅스 기준)

7. Inter-Process Communication

 

Inter-Process Communication

프로세스들 간의 정보를 주고받기 위한 작업

message passing과 shared memory, remote procedure call이 있음.

A와 B가 정보를 주고 받아야하는데 두 가지 방법이 존재.

프로세스들끼리 직접 주고 받을 수 없음. Why? 프로세스 간 자기 영역을 침해해버리면? 해킹과 같음.

따라서 주고 받을 때 매개체가 있어야함.

1) Message Passing

주고 받는 매개체가 커널인 경우

프로세스 A -> 커널 -> 프로세스 B

장점 : 여러 개의 정보를 데이터 손상 없이 보낼 수 있다.

단점 : 운영체제를 통해 주고 받으므로 Mode Change가 일어나야 한다. (User Mode <-> System Mode)

따라서 시간이 오래 걸린다. (상대적으로)

2)  Shared Memory

프로세스 간 공유가능한 메모리를 생성

프로세스 A <- 공유된 메모리 공간 -> 프로세스 B

장점 : Mode Change 없이 공유가 가능하므로 시간이 빠르다.

단점 : 사용하기 어렵다. 공유 메모리 크기를 정할 필요가 있어 구축 과정에 있어서 복잡하다.

만약 1MB의 공간인데 1MB 이상의 데이터가 입력되면?

8. Siganl, Interrupt

1. Signal : 프로세스가 다른 프로세스에게 이벤트를 알리는 것

2. Interrupt : OS가 프로세스에게 이벤트를 알리는 것

3. System Call : 프로세스가 OS에게 이벤트를 알리는 것