[OS] KOCW 운영체제 강의 정리 (반효경) - 3. Process (1)

3. Process (1)

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✨ 프로세스의 개념

프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미한다. (Process is a program in execution)

• 프로그램이 정확하게 언제 시작하고 종료하는지를 나타내기 위해 사용

• 프로세스의 문맥(context)
  • 현재 프로세스의 상태를 나타내는 모든 요소
    1. CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
       • Program Counter
         • CPU안에서 어떤 프로세스인지 구분해 줌
         • 프로세스 code의 진행 위치를 알려줌
       • 각종 register
    2. 프로세스의 주소공간
       • code, data, stack
    3. 프로세스 관련 커널 자료구조
       • PCB (Process Control Block)
       • Kernel stack
  • 프로세스의 문맥이 필요한 이유
    • 타임 쉐어링 때문에 다시 작업을 이어서 하려고 할 때 문맥을 알아놔야 이어서 할 수 있음

 

✨ 프로세스의 상태(Process State)

• 프로세스는 상태가 변경되면서 수행된다.

1. Running
   • CPU를 잡고 Instruction을 수행 중인 상태
2. Ready
   • CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족한 상태)
   • 프로그램 메모리 전체를 물리적인 메모리에 다 올려두지 않음 ⇒ 다 같이 써야 하기 때문에 낭비
   • 프로그램 메모리에서 필요한 부분만 물리적인 메모리에 올려둠 ⇒ 이 상태
3. Blocked (wait, sleep => 오래 걸리는 작업)
   • CPU를 주어도 당장 Instruction을 수행할 수 없는 상태
   • 물리적인 메모리에 올라가 있지 않은 상태
   • 오래 걸리는 작업을 기다리고 있는 상태
   • 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready로 상태가 변경됨.
4. New
   1. 프로세스가 생성 중인 상태
5. Terminated
   1. 수행(execution)이 끝난 상태
6. Suspended(Stopped) : 중기 스케쥴러로 인해 발생한 상태 (다 뺏기고 쫓겨남)
   1. CPU에서 뿐만 아니라 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
   2. 프로세스는 통째로 디스크에서 swap out 된다
   3. 외부에서 다시 실행해 주어야 Active 상태로 변경됨

 

✨ 프로세스 상태도

• 위 사진은 사용자 프로그램 중심으로 진행되는 사진

 

• CPU는 여러 프로세스가 공유하기 때문에 계속 Ready Queue에서 Process가 대기하고 있다가 점유하는 방식으로 작동함.
• Disk 또한 Disk I/O Queue에 들어있는 Process를 DIsk Controller의 지휘 아래 순차적으로 처리하게 된다.
• Interrupt가 걸려 CPU가 OS에게 넘어가게 되면, OS는 프로세스 상태변경(문맥교환)을 진행한다.

 

✨ Process Control Block(PCB)

• 운영체제가 각 프로세스를 관리 및 제어하기 위해 프로세스 당 유지하는 상태 정보를 저장해 놓은 자료구조
• 프로세스가 진행됨에 따라 PCB는 변경되기도 하며, 프로세스가 종료되면 PCB도 사라지는 것이 특징이다.
• 운영체제가 PCB에 빠르게 접근하기 위해 Process Table을 사용하며, PID를 통해 원하는 PCB 위치에 쉽게 접근할 수 있다.
• 다음의 구성 요소를 구조체로 가진다.
  1. OS가 관리상 사용하는 정보
     • Pointer (프로세스의 현재 위치)
     • Process State (생성, 준비, 실행, 대기, 종료의 프로세스의 상태)
     • Process number (PID, 프로세스를 식별하기 위한 고유한 ID)
     • Scheduling Information, priority
  2. CPU 수행 관련 하드웨어 값
     • Program counter (실행될 다음 명령어의 주소)
     • registers (CPU 레지스터 Information)
  3. 메모리 관련 (Memory limits)
     • Code, data, stack 등의 운영체제 메모리 관리 및 위치 정보를 포함하며, 페이지 및 세그먼트 테이블 등을 저장
  4. 파일 관련 (list of open files)
     • Open file descriptors (프로세스 실행을 위해 열린 파일 목록)
     • 그 외 리소스 관련 정보들

 

✨ 문맥교환(Context Switch)

• CPU를 비롯한 자원을 이미 프로세스가 사용 중인 상태에서 다른 프로세스가 자원을 사용해야 할 경우에 프로세스의 상태(문맥 / Context)를 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 것을 말함 (= CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정 => 뺏기던 시점에 문맥을 기억했다가 이어서 작업한다)
• CPU가 다른 프로세스에서 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행
  • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
  • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어 Register에 적재함.

• System call이나 Interrupt 발생 시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님.
1. 시스템콜, 인터럽트 ⇒ 문맥교환 X
   • 다음 프로세스로 넘기는 게 아니라 운영체제로 제어권이 넘어갔다가 다시 돌아오기 때문
2. 타입 인터럽트, I/O 요청 시스템콜 ⇒ 문맥교환 O
   • 다음 준비상태 프로세스로 넘어감
   • 사용자 프로세스 A ⇒ 사용자 프로세스 B

=> <1>의 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save 해야 하지만, 문맥교환을 해야 하는 <2>의 경우 훨씬 그 부담이 큼. (ex. cache memory flush)

 

 

✨ 프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• Job Queue
  • 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
  • Ready Queue, Device Queue가 모두 Job Queue 내에 포함되어 있음.
• Ready Queue
  • 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device Queue
  • I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

 

 

✨ Ready Queue와 다양한 Device Queue

 

 

✨ 스케줄러(Scheduler)

1. Long-term scheduler (Job scheduler or 장기 스케쥴러)
• 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
• 프로세스에 memory 및 각종 자원을 주는 문제를 다루는 스케쥴러
• degree of Multiprogramming(메모리에 프로그램이 몇 개 올라가 있는가?)을 제어
• time sharing system에는 보통 장기 스케쥴러가 존재하지 않음. (무조건 ready 상태)
2. Short-term scheduler (CPU scheduler or 단기 스케쥴러)
• 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정
• 프로세스에 CPU를 주는 문제
• 짧은 시간 단위로 스케쥴러가 이루어짐. 그러므로 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)
3. Medium-term scheduler (Swapper or 중기 스케쥴러)
• 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
• 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
• 중기 스케쥴러가 CPU 사용에서는 효율적 역할을 수행함.
• degree of Multiprogramming(메모리에 프로그램이 몇 개 올라가 있는가?)을 제어

 

보통 프로그램들을 실행하면 바로 메모리에 올려둠Ready

• 하지만 너무 많으면 비효율적
  • 중기스케줄러가 여유 공간 마련을 위해 메모리에서 디스크로 쫓아내 버림
  • 중기스케줄러 때문에 프로세스 상태에서 Suspended(stopped)가 생김

 

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Reference

http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1046323

운영체제