[OS] Lecture 3. Precess Management

1. 프로세스의 개념

작업(job) / 프로그램(Program) vs 프로세스

[작업(job) / 프로그램(Program)]

• 실행 할 프로그램 + 데이터 (우리가 짠 프로그램)
• 컴퓨터 시스템에 실행 요청 전의 상태
• Disk에 보관되어 있음

[프로세스]

• job이 시스템에 등록된 상태 (메모리를 할당받음)
• 실행을 위해 시스템(커널)에 등록된 작업
• 시스템 성능 향상을 위해 커널에 의해 관리 됨

프로세스의 정의

• 실행중인 프로그램
  • 커널에 등록되고 커널의 관리하에 있는 작업
  • 각종 자원들을 요청하고 할당 받을 수 있는 개체
  • 프로세스 관리 블록 (PCB)을 할당 받은 개체
  • 능동적인 개체(active entity) : 실행 중에 각종 자원을 요구, 할당, 반납하며 진행
• PCB(Process Control Block)
  • 커널 공간 (kernel space) 내에 존재
  • 각 프로세스들에 대한 정보를 관리

프로세스의 종류

자원의 개념

• 커널의 관리 하에 프로세스에게 할당/반납 되는 수동적 개체(passive entity)
• 자원의 분류
  • H/W resources
    • Processor, memory, disk, monitor, keyboard
  • S/W resources
    • Message, signal, files, installed SWs

2. PCB(Process Control Block)

PCB란

• OS가 프로세스 관리에 필요한 상태 정보를 저장함.
• 프로세스 생성 시 생성된다.
• 커널에 저장이 된다.

PCB가 관리하는 정보

• PID: Process Identification Number
  • 프로세스 고유 식별 번호
• 스케줄링 정보
  • 프로세스 우선순위 등과 같은 스케줄링 관련 정보들
• 프로세스 상태
  • 자원 할당, 요청 정보 등
• 메모리 관리 정보
  • Page table, segment table 등
• 입출력 상태 정보
  • 할당 받은 입출력 장치, 파일 등에 대한 정보 등
• 문맥 저장 영역 (context save area)
  • 프로세스의 레지스터 상태를 저장하는 공간 등
• 계정 정보
  • 자원 사용 시간 등을 관리

• PCB 정보는 OS 별로 서로 다름
• PCB 참조 및 갱신 속도는 OS의 성능을 결정 짓는 중요한 요소 중 하나임

3. 프로세스의 상태 (Process States)

프로세스는 시스템에 등록된 후, 여러 가지 상태를 거치면서 작업을 수행한다 (자원 간의 상호작용에 의해 결정)

프로세스의 상태 및 특성

Process State Transition Diagram

Active 상태 (메모리 O)

• Created State (생성된 상태)
  • 작업 (job)을 커널에 등록
  • PCB 할당 및 프로세스 생성
  • 커널이 가용 메모리 공간을 체크하고 프로세스 상태를 전이한다. (Ready or Suspended ready)
• Ready State
  • 프로세서 외에 다른 모든 자원을 할당 받은 상태
    • 메모리를 할당받음
    • 프로세서(CPU) 할당 대기 상태
    • 즉시 실행 가능 상태
  • Dispatch (or Schedule)
    • Ready State → Running State
• Running State
  • 프로세서와 필요한 자원을 모두 할당 받은 상태
    • Preemption (CPU를 뺏김)
      • Running State → Ready State
      • 프로세서 스케줄링 (ex. time-out, priority changes)
    • Block/sleep
      • Running State → asleep State
      • I/O 등 자원 할당 요청
• Blocked/Asleep State
  • 프로세서 외에 다른 자원을 기다리는 상태
    • 자원 할당은 system call에 의해 이루어짐
    • 자원마다 따로 큐로 각각 관리함
  • Wake-up
    • Asleep State → Ready State

Suspended 상태 (메모리 X)

• Suspended State
  • 메모리를 할당 받지 못한(빼앗긴) 상태
    • Memory image를 swap device에 보관
    • Memory image: 메모리를 빼앗길때 메모리를 사용하던 상태를 image로 저장한 것
    • swap device: 프로그램 정보 저장을 위한 특별한 파일 시스템 (일종의 하드 디스크)
    • 커널 또는 사용자에 의해 발생
  • Swap-out (Suspended), Swap-in (resume)
• Terminated/Zombie State
  • 프로세스 수행이 끝난 상태
  • 모든 자원 반납 후, 커널 내에 일부 PCB 정보만 남아 있는 상태
  • 이후 프로세스 관리를 위해 정보를 수집한다.

4. 인터럽트 (Interrupt)

예상치 못한, 외부에서 발생한 이벤트 (Unexpected, external events)

인터럽트의 종류

• I/O interrupt: 게임과 같은 프로세스가 예상하지 못한 순간에 마우스 클릭 등을 하면, 이를 알려주는 것
• Clock interrupt
• Console interrupt
• Program check interrupt
• Machine check interrupt
• Inter-process interrupt
• System call interrupt

인터럽트 처리 과정

1. 인터럽트 발생
2. 프로세스 중단(커널의 개입)
   • context saving 수행 (문맥을 PCB에 저장한다)
3. 인터럽트 처리 (interrupt handling)
   • 인터럽트 발생 장소, 원인 파악
   • 인터럽트 서비스 할 것인지 결정 (어떤 서비스 루틴 호출할 것인지)
   • 인터럽트 서비스 루틴 호출
   • Ready 상태에 있던 프로세스 중 하나에 CPU를 할당한다. (context를 바탕으로 복구한다)

5. Context Switching (문맥 교환)

• Context
  • 프로세스와 관련된 정보들의 집합
    • CPU Register context ⇒ in CPU
      (CPU가 어떤 프로세스를 처리할 때는 반드시 해당 데이터를 레지스터에 올린다. 그 레지스터에 있는 context)
    • Code & Data & Stack & PCB ⇒ in memory
• Context Saving
  • 현재 프로세스의 Register context를 저장하는 작업
• Context restoring
  • Register context를 프로세스로 복구하는 작업
• Context Switching
  • 실행중인 프로세스의 context를 저장하고, 앞으로 실행할 프로세스의 context를 복구하는 일
  • 커널의 개입으로 이루어짐

Context Switch Overhead

• Context switching에 소요되는 비용
  • OS마다 다름
  • 매우 자주 발생함 ⇒ OS의 성능에 큰 영향을 줌
• 불필요한 Context switching을 줄이는 것이 중요하다
  • ex ) 스레드를 활용해서 멀티스레드 프로그래밍을 한다.