03. 프로세스 관리

Reference: 이화여자대학교 운영체제 강의 - 반효경

프로그램의 실행 (Memory load)

memory_load

원리

• 프로그램은 실행 파일 형태로 저장되어 있다가

• 실행하면 해당 프로그램이 memory에 올라가서 프로세스가 됨

• 이때, 운영체제 Kernel은 이미 memory에 올라가 있음

• 프로그램이 실행될 때 해당 프로그램만의 자신만의 독자적인 Address Space가 → Virtual memory

• 만약 당장 필요한 부분은 물리적인 memory에 올라감

• memory에 올라가 있지 않은 부분은 Swap area로 들어감

• 이 중 일부는 파일 시스템의 파일 형태로 존재

Address Translation

• Virtual Memory Address (논리적 주소)와 Physical Memory Address (물리적 주소) 간 변환이 필요함

Virtual Memory

stack

• 함수 안에 있는 지역 변수 데이터가 위치

• 함수 호출 및 return과 관련된 정보에 차곡차곡 쌓임

data

• 전역 변수 데이터가 위치

• 프로그램이 시작될 때부터 종료될 때까지 있는 값도 위치

code

• 실행 파일에 있던 code가 올라오는 것

• CPU에서 수행할 기계어가 위치 → 컴파일된 기계어 코드

Kernel Address Space

• Kernel도 하나의 프로그램이기 때문에 함수 구조로 되어 있음

• 따라서 동일하게 stack, data, code로 구성되어 있음

Kernel Address 공간의 내용

kernel_address

구조

• 하나의 프로그램으로서 함수 구조로 되어 있음

• 프로세스 각각의 Adress Space에는 Code, Data, Stack으로 구성됨

운영체제의 Code

주로 운영체제가 하는 일이 Kernel Code 안에 들어가 있다고 보면 됨

• System call, Interrupt 처리 코드

• Interrupt가 들어왔을 때 무엇을 처리해야 하는지 들어가 있음

• 효율적인 자원 관리를 위한 코드

• 편리한 서비스 제공을 위한 코드

운영체제의 Data

• 현재 실행중인 하드웨어와 모든 프로세스들을 관리하기 위한 자료구조

• 이것을 PCB(프로세스 Control Block) 라고 함

운영체제의 Stack

• 지금 누가 실행중인지를 알기 위해 프로세스의 kernel stack은 각각 저장됨

• 각 프로세스마다 별도의 kernel을 두고 있음

• 즉, Kernel이 호출되기 전에 어떤 프로세스에서 실행된 것인지에 따라 구분되어 저장되기 때문

• Kernel의 스택이기 때문에 Kernel 함수와 관련됨

사용자 프로그램이 사용하는 함수

function

사용자 정의 함수

해당 프로세스 address space 내에 위치

• 내가 직접 만든 함수, 자신의 프로그램에서 정의한 함수

• program counter 값만 바꾸어 다른 위치의 기계어를 실행하면 됨

• 자신의 프로그램 안에 포함되어 있음

라이브러리 함수

해당 프로세스 address space 내에 위치

• 자신의 프로그램에서 정의하지 않고, 가져다 쓴 함수

• 내가 만든 함수는 아니고 프로그램 안에 집어 넣는 것

• 사용자 정의 함수와 마찬가지로, 자신의 프로그램 안에 포함되어 있음

• 이때는 내 프로그램 안에서 program counter 값만 바꾸어서 다른 위치의 기계어를 실행하는 원리

커널 함수

kernel address space 내에 위치

• 운영체제 프로그램의 함수

• 프로그램 안에 들어가는게 아니라 커널 안에 들어가는 함수

• 실행되다가 디스크에서 파일을 읽어온다든지 하면 I/O는 내가 직접 할 수 있는게 아니기 때문에 사용자 정의/라이브러리 함수가 아닌 커널 함수 실행(system call)해야 함

• virtual memory의 주소 공간을 가로질러 다른 program 의 영역으로 바뀌는 것이기에 CPU 제어권을 OS에 넘긴 후 실행함

프로그램의 실행

program_execution

User Defined Call & Library Function Call

• user mode (mode bit: 1)

• 내 주소 공간에 있는 code가 user mode로 실행됨

System Call

• kernel mode (mode bit: 0)

• CPU 제어권이 운영체제에게 넘어가므로 Kernel mode에서 운영체제의 주소공간에 있는 코드가 실행됨

프로세스의 개념

프로세스

프로세스란?

• 실행중인 프로그램을 뜻함

• “프로세스 is a program in execution”

프로세스의 문맥 (context)

문맥이란

• 프로세스의 현재 시점의 상태를 나타내는 것

• 시간에 따라 바뀌는 개념

CPU 수행 상태를 나타내는 hardware context

CPU에서 어디까지 수행했는가?

• program counter 값 → 현재 어디를 실행하고 있는가

• 각종 Register 값 → Register에 어떤 값을 넣고 있었는가

프로세스의 주소 공간

자신의 메모리 공간에 무엇을 가지고 있는가?

• code, data, stack

프로세스 관련 Kernel 자료 구조

PCB(프로세스 Control Block)

• CPU, memory 등을 얼마나 썼는지에 대한 정보를 갖고 있는 자료구조

• PCB를 봐야 context를 알 수 있기 때문에 프로세스를 관리하기 위한 자료구조라 할 수 있음

Kernel Stack

• 프로세스마다 다른 kernel stack을 가짐

프로세스의 상태

프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다

프로세스_state

Running

• CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태

• CPU가 하나밖에 없기 때문에 CPU에서 기계어를 실행하는 프로세스는 매순간 하나 → Running 상태에 있다고 함

Ready

• CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)

Blocked(wait, sleep)

• 오래 걸리는 작업 때문에 CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태

• 프로세스 자신이 요청한 event(e.g. I/O)가 즉시 만족되지 않아, 이를 기다리는 상태

• Inturrupt 되면 진행중이던 event가 완료 되었다는 의미이므로 Ready 상태로 바꿔줌

• e.g. Disc에서 file을 읽어와야 하는 경우

New

• 프로세스가 생성’중’인 상태

Terminated

• 수행(execution)이 끝난 상태

예시

• 키보드 입력을 기다리는 프로그램에서는 blocked 상태 → 키보드 입력 들어옴 → ready 상태로 바꾸고 → 키보드 입력된 내용을 메모리에 copy 해서 CPU 얻을 수 있게 해줌(CPU 제어권이 운영체제에게 넘어감)

프로세스의 상태도

프로세스_state_picture

new

• 생성 중인 상태

• 시작 전이면 프로세스가 아님

ready

• CPU만 할당되면 바로 실행이 가능한 상태 즉, 온전히 프로세스가 된 상태

• CPU가 필요한 부분은 memory에 올라가 있어야 함

running

• CPU scheduler가 dispatch(CPU를 넘겨주면)하면 running 상태가 됨

• running 상태가 끝나는 경우

  • Timer interrupt: 할당 시간 만료로 ready queue의 제일 뒤로 가 줄을 서야하는 상황

  • I/O or event wait: 오래 걸리는 작업 때문에 blocked 상태로 들어가는 경우

  • Exit: 종료되는 경우

waiting(blocked)

• 오래 걸리는 작업이 끝나면 (보통 interrupt가 걸림) 해당 프로세스의 상태를 ready로 바꿔서 다시 CPU가 해당 프로세스를 실행할 준비를 시켜둠

terminated

• 종료 중인 상태

• 이미 종료되었다면 프로세스가 아님

PCB

pcb

정의

• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 두는 자료구조

• 프로세스 당 유지하는 정보

구성 요소

• 운영체제가 관리상 사용하는 정보

  • 프로세스 State, 프로세스 ID

  • Scheduling Information, Priority (가장 높은 프로세스에 CPU가 할당됨)

• CPU 수행 관련 hardware 값

  • Context Switching에 대비하여 저장해 놓는 값

  • Program Counter, Registers

• Memory 관련

  • code, data, stack의 위치 정보

• File 관련

  • Open file descriptors …

문맥 교환 (Context Switching)

context_switching

정의

• CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

필요한 이유

• CPU를 그냥 빼앗아 가는게 아니라, 바로 그 다음 지점을 실행할 수 있도록 현재 프로세스 문맥을 저장해야 함

• 즉, 만약 CPU가 프로세스 A에서 프로세스 B로 넘어가게 하려면, 현재 기계어의 어디 실행중인지 등 정보를 CPU 뺏기 전에 프로세스 A의 PCB에 저장 후, CPU를 넘겨줌

동작 과정

CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 아래의 동작을 수행함

• CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 해당 프로세스 PCB에 저장

• CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

Context Switch 구분하기

context_switch_difference

context switch인 것

• 사용자 프로세스 A ↔ 사용자 프로세스 B

context switch가 아닌것

• 사용자 프로세스 A → 운영체제 → (다시) 사용자 프로세스 A

context switch 여부와 overhead 관계

• user mode에서 kernel mode로 가는건 context switch보다 상대적으로 overhead가 적은 작업

• context switch 없이 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save 해야 하지만

• context switch 하는 경우, 그 부담이 훨씬 큼 (캐시 메모리 flush 할 때 overhead가 매우 큼)

프로세스를 스케줄링 하기 위한 Queue

프로세스들은 각 queue를 오가며 수행됨

job queue

• 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합

ready queue

• 그 중 CPU를 당장 얻어야 하는 집합

• 현재 메모리 내에 있으면서, CPU를 잡아 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합

device queue

• 오래 걸리는 작업

• I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

실제 자료구조 형태

data_structure

프로세스 스케줄링 Queue의 모습

프로세스_scheduling_queue

• 프로세스가 처음에 실행되면 ready queue

• 본인 차례가 되면 CPU를 얻고 쓰다가 언젠가는 종료

• 쓰다가 오래 기다리는 작업을 요청하면 → I/O queue 가서 줄서고

• 끝나면 다시 ready queue에서 CPU 얻을 권한 생기고

• CPU 계속 쓰고 싶은데 timer interrupt 끝나면

• 다시 ready queue로 감

Scheduler

운영체제 안에 들어있는 code의 일부

Long-Term Scheduler (장기 스케줄러 or Job scheduler)

운영체제 내에서 memory scheduling을 하는 역할

역할

• 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정

• 프로세스에 memory (및 각종 자원)을 ‘주는’ 문제. 즉, 프로세스가 실행될 때 memory에 올라오도록 하는 역할을 담당

• Degree of Multi-programming(memory에 올라가 있는 program의 수)을 제어

특징

• 일반적인 운영체제 Time Sharing System 에서는 보통 장기 스케줄러가 없음 (무조건 곧바로 ready 상태로 들어감)

• 장기 스케줄러가 없는 대신, 메모리 관리는 어떻게 하나? → 중기 스케줄러로 관리

Medium-Term Scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)

Time sharing system은 장기 스케줄러를 두지 않고 중기 스케줄러를 둠

역할

• 시작된 프로그램은 다 메모리에 들어오면 → 경합하므로 시스템 성능이 떨어지므로, 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 memory에서 disk로 쫓아냄

• 프로세스에게서 memory 를 ‘뺏는’ 문제 (일단 다 주고, memory가 부족해서 전체 시스템 성능이 떨어지면 memory에서 쫓아냄)

• Degree of Multi-programming 을 제어

Short-Term Scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)

CPU scheduling을 하는 역할

역할

• 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정

• 프로세스에 CPU를 '주는' 문제

특징

• 굉장히 자주 호출되므로 충분히 빨라야 함 (millisecond 단위)

프로세스의 상태

Suspended (Stopped)

특징

• 중기 스케줄러가 추가되면서 생기는 상태

• 중기 스케줄러 때문에 메모리에서 쫓겨난 상태

• 프로세스는 통째로 disk에 swap out 됨

• 뿐만 아니라 그 외의 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태

e.g. 외부적인 이유

• 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (by break key, Linux 환경에서 Ctrl+Z)

• system이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킨 경우 (memory에 너무 많은 프로세스가 올라와 경합이 심한 경우) 중기 스케줄러가 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 memory에서 disk로 쫓아냄

Blocked와 Suspended의 차이

공통점

• CPU를 얻을 수 없는 상태

주요 차이점

• Blocked 상태

  • 프로세스가 여전히 메모리에 남아 있고

  • 이벤트를 기다리며 CPU를 얻을 수 있는 상태

• Suspended 상태

  • 프로세스가 일시적으로 메모리에서 제거되고

  • 외부에서 활성화될 때까지 아무 작업도 수행하지 않는 상태

Blocked

• 프로세스가 I/O 작업 또는 다른 이벤트(e.g. 외부 자원 요청)를 기다리는 동안 CPU를 얻을 수 없는 상태

• 프로세스가 스스로 해당 이벤트가 발생할 때까지 (스스로) 기다리는 상태

• 이벤트가 발생하면 프로세스는 준비 상태(Ready)로 전환되어 CPU를 다시 얻을 수 있게 됨

Suspended

• 프로세스가 일시적으로 중지되거나 정지된 상태

• 일을 아예 못하는 정지된 상태

• 정지 상태는 일반적으로 외부에서 프로세스를 다시 활성화하거나 재개(resume)해야만 함

• 주로 메모리에서 프로세스의 상태를 제거하고 나중에 필요할 때 다시 메모리로 로드할 때 사용

프로세스 상태도

Suspended를 포함한 상태도

프로세스_status_active_inactive

Active / Inactive

Active

• Running

• Ready

• Blocked

Inactive

• Suspended Blocked

• Suspended Ready

Swap Out / Swap In

운영 체제에서 메모리 관리를 위해 사용되며, 메모리 부족 상황에서 프로세스들을 관리하는 데 중요한 역할을 함

Swap out

• 프로세스나 프로그램이 현재 메모리(RAM)에 적재되어 있을 때

• 시스템이 메모리 공간을 확보하기 위해 해당 프로세스나 프로그램을 메모리에서 "통째로 쫓겨나게" 하는 작업을 의미

• 이때, 해당 프로세스의 데이터와 코드가 디스크의 Swap File 또는 Swap Area에 저장됨

Swap in

• Swap out된 프로세스나 프로그램이 다시 실행되어야 할 때

• 시스템이 스왑 파일 또는 스왑 영역에 저장된 해당 프로세스의 데이터와 코드를 메모리로 다시 "올리는 작업"을 의미

• 이로써 해당 프로세스는 메모리에서 다시 실행 가능한 상태가 됨

Suspended(Blocked) / Suspended(Ready)

공통점

• 메모리를 통째로 빼앗겨서 없는 상태

• 메모리를 통째로 빼앗겼으니 CPU 작업은 할 수 없지만, I/O 작업은 일부 진행 가능

• 외부에서 다시 메모리를 할당해야 active 상태가 됨

Suspended(Blocked)

• Suspended 상태로 진입하기 전에 I/O 작업을 하던 프로세스

• I/O 작업이 일시 중단되고 "Suspended Blocked" 상태로 진입하며

• I/O 작업이 완료되면 "Suspended Ready" 상태로 돌아갈 수 있음

Suspended(Ready)

• 완료된 상태이며 I/O 작업을 하고 있지 않다는 의미

Running (User mode / Kernel mode)

프로세스_status_running

중요한 개념

• 여기서 말하는 상태는 운영체제가 사용자 프로그램을 관리하기 위해 존재하는 상태지, 운영체제 본인의 상태를 의미하는 것은 아님

• Running 상태는 현재 CPU를 사용하고 있는 프로세스 또는 운영 체제 Kernel mode 코드를 나타냄

• Interrupt나 System Call로 인해 프로세스가 일시 중단되는 경우, CPU는 다른 작업을 수행

User mode에서 Running 상태인 경우

• 프로세스 본인의 코드가 실행 중인 상태

• CPU를 사용하여 해당 프로세스의 명령을 수행함

Kernel mode에서 Running 상태인 경우

• 운영 체제의 커널 코드가 실행 중인 상태

• 주로 System Call이나 Interrupt 처리와 같은 운영 체제의 핵심 기능을 수행할 때 발생

User mode에서 프로세스가 System Call을 호출한 경우

• 해당 System Call이 kernel mode에서 실행됨

• 해당 program은 CPU를 빼앗긴 것이 아니므로 CPU를 사용중인 것으로 간주되지만

• Kernel mode에서 실행되는 System Call은 프로세스의 요청을 처리하고 다시 User mode로 돌아감

Interrupt가 들어오는 경우

• Interrupt는 프로세스가 실행 중일 때 다른 이벤트(예: I/O 완료, 하드웨어 이벤트)가 발생했을 때 발생

• 이 경우, 현재 실행 중인 프로세스가 Blocked 상태로 전환되며, 이후 운영 체제는 해당 Interrupt를 처리하기 위해 Kernel mode에서 실행됨

• 이렇게 되면 현재 실행 중인 프로세스는 일시 중단되었지만, CPU는 여전히 사용 중이며 다른 이유로 Kernel mode에서 running 상태라고 간주함

Thread

A thread (or lightweight 프로세스) is a basic unit of CPU utilization : CPU 수행 단위

설명

• 프로세스에서 CPU 수행에 실행에 필요한 부분만 별도로 가지고 있는 것이 Thread

• 프로세스는 공유하되, thread는 작업에 따라 각자 가짐

Thread가 동료 thread와 공유하는 부분 (=task)

전통적인 개념의 heavyweight 프로세스는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있음

• code section

• data section

• OS resources

Thread의 구성

thread-composition

• program counter

• register set

• stack space

  • 주소 공간에서는 thread가 함수 호출과 관련된 stack만을 가짐

  • 그 외에는 프로세스 내에서 다른 thread들과 공유

Thread의 효율성

thread-efficiency

• 프로세스에서 스레드로 CPU 수행 관련 부분만 별도로 가지고 있고, 그 외는 단일 프로세스로 관리하는 것이 효율적임.

• 즉, 스레드를 사용함으로써 프로세스 간 통신 및 데이터 공유가 더 효율적으로 이루어질 수 있다는 것을 의미함. 여러 스레드가 같은 프로세스 내에서 작동하며, 프로세스의 메모리 및 자원을 공유하므로 커뮤니케이션 비용이 낮아짐.

• context switch는 overhead가 큰 편이지만, thread에서 thread로 넘어가는 것은 효율적임

• 웹 브라우저를 여러 개 띄우면 여러 프로세스가 뜨니 비효율적이므로 스레드를 만드는게 효율적

• 다만, 크롬 브라우저는 보안 상의 이슈가 있어 여러 개의 프로세스를 띄우며 (Multi-프로세스 Architecture) 브라우저마다 구현 방식은 다를 수 있음

  • Chrome for Developers - Inside look at modern web browser (part 1)

  • [위 블로그 한국어 번역] 크롬 브라우저는 어떻게 작동 할까? - 01

  • The Chromium Projects - Multi-프로세스 Architecture

Thread의 장점

thred-pros

Responsiveness (빠른 응답성)

• 하나의 스레드가 네트워크를 통해 읽어오는 동안, 또다른 스레드가 화면에 보여주면 사용자에게 빠른 응답 제공 가능

Resource Sharing(자원 공유)

• 동일 프로세스 내에 있는 스레드들끼리는 CPU 수행 정보를 제외한 대부분의 것들을 공유할 수 있기에 효율적인 자원 공유가 가능

• 스레드는 같은 프로세스 내에서 실행되므로 프로세스의 code, data, resource를 공유할 수 있음.

• 이는 자원 공유를 간편하게 만들며, 데이터를 복사하는 등의 overhead를 줄여줌.

• 즉, 여러 개의 thread는 프로세스의 binary code, data, resource를 공유 가능

Economy(경제적)

• 똑같은 일을 프로세스 여러 개 or 프로세스 안에 스레드를 여러 개 두는 것의 차이

• creating & CPU switching thread (rather than a 프로세스)

• solaris(Oracle가 개발한 다중 스레드 모델)의 경우, 위 두 가지 overhead가 각각 30배, 5배

Utilization of Multi프로세스or Architectures(병렬성)

• Multi프로세스or(CPU가 여러 개 있는 상황)에서는 병렬성 추구 가능

• 예를 들어 만약, 큰 행렬을 곱셈을 한다 했을 때, CPU가 하나 있으면 한 열씩 순차적으로 해야 하는 상황. CPU가 여러 개 있다면 행렬의 곱셈을 여러 스레드로 나눠서 연산 후, 서로 다른 CPU에 배치하며 연산을 병렬적으로 작업을 수행함 → 효율적

다중 thread 구성의 장점

• 다중 스레드로 구성된 태스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked(waiting) 상태인 동안에도, 동일한 태스크 내의 다른 스레드가 실행(running)되어 빠른 처리를 할 수 있음

• 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율(throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있음. 따라서 스레드 사용 시, 병렬성을 높일 수 있음

• 예를 들어 만약, HTML 문서를 통해 웹 브라우저에서 당장 보여줄 수 있는 것만이라도 보여주어야 하는 상황인데, 이미지 url을 받아오는 등 오래 걸리는 작업으로 인해 시간이 오래 걸린다면, 하나의 스레드가 읽어오는 동안 또 다른 스레드가 당장 표현할 수 있는 텍스트라도 빠르게 보여줄 수 있음

Thread 구현 방법

thread-supported

Kernel Threads

supported by kernel

• 운영체제가 이미 스레드의 존재를 알게 구현하는 것

• 운영체제 커널이 직접 지원해주는 스레드를 사용

• 운영체제가 서로 다른 스레드 간의 CPU 전환을 할 수 있음 (마치 프로세스간의 CPU 스케줄링 처럼)

User Threads

supported by library

• 사용자 프로그램 단에서 스레드를 관리

• 운영체제가 이미 스레드의 존재를 모르게 구현하는 것

  • 운영체제가 볼 때는 그저 스레드가 없는 프로세스처럼 보임

• 운영체제가 thread 간의 CPU를 넘기는 작업을 할 수 없음

  • 프로세스 내부에서 운영체제에 비동기식 I/O를 요청해서 바로 다시 받아 다른 thread로 CPU를 넘기는 등 사용자 프로그램단에서 관리하는 것을 의미

프로세스 관리

프로세스가 어떻게 만들어지고 종료되는가

프로세스의 생성

생성 원리

• 부모 프로세스(parent 프로세스)가 자식 프로세스(children 프로세스)를 만들면 복제 생성 (프로세스가 또다른 프로세스를 생성)

• 부모와 똑같은 나이를 가진 프로세스를 생성

• 즉, 본인이 직접 만드는 것이 아니라, 운영체제에게 system call 요청을 통해 생성 (fork system call)

• 프로세스의 트리(계층 구조) 형성

프로세스는 자원을 필요로 함

• 운영체제로부터 받음

• 부모와 공유 (사실 부모와 자식 프로세스는 별개의 프로세스이므로 자원을 할당받기 위해 경쟁)

자원의 공유

• 부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델

• 일부를 공유하는 모델

• 전혀 공유하지 않는 모델

수행 (Execution)

• 부모와 자식은 공존하며 수행되는 모델

• 자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는 모델 (blocked 상태)

주소 공간 (Address Space)

• 자식은 부모의 공간을 복사 (binary and OS data)

• 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림

• 즉, 부모의 것을 그대로 복사하여 코드도 복사되지만, 데이터와 스택도 복사됨 → 전역 변수 등도 그대로 가져가고, 스택도 카피한다는 것은 현재 수행 위치에서부터 자식이 실행된다는 의미

여러 프로그램들을 돌린다?

• 일단 복제(fork system call)해놓고, 거기에 다른 프로그램을 덮어 씌워서(exec system call) 새로운 프로그램을 돌린다는 의미

Unix(유닉스)의 예

• fork() system call이 새로운 프로세스를 생성

  • 부모를 그대로 복사 (OS data except PID + binary)

  • 주소 공간 할당

• fork 다음에 이어지는 exec() system call을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올림

프로세스 종료

• 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후, 운영체제에게 이를 알려줌 (exit)

  • exit system call → 운영체제가 프로세스를 종료하면서 모든 자원을 반납하고 종료

  • 자식이 부모에게 output data를 보냄 (via wait)

  • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨

• 부모 프로세스가 자식의 수행을 강제 종료시키는 경우 (abort)

  • 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어설 때

  • 자식에게 할당된 태스크가 더이상 필요하지 않을 때

  • 부모가 종료(exit)하는 경우

    • 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우, 부모가 죽기 전에 자식을 먼저 죽임

    • 단계적 종료 (계층 구조의 제일 아래 자손부터 순차적으로 죽임)

• 보통은 자식이 먼저 종료 → 부모가 뒷 일을 함 (exit)

  • 자식이 부모에게 output data를 보냄

  • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨

• 브라우저 창을 끄면 실행되던 것들이 전부 종료되는 것

fork() system call

• 프로세스는 fork() system call에 의해 생성됨

  • 운영체제에게 자식을 만들어 달라는 함수

  • caller를 복제해 새로운 address space를 생성

Parent 프로세스와 Child 프로세스 구분

프로세스-end

• 부모: PID 값이 0보다 큰 return value로 받게 됨

• 자식: PID 값을 0으로 return value로 받게 됨

exec() system call

exec-systemcall-1

• hello 출력 후, 새로운 프로그램으로 덮어 씌움

exec-systemcall-2

• 자식 프로세스를 생성하여 다른 프로그램을 돌리고 싶을 때 (자식에게 새로운 프로그램을 덮어 씌울 때)

  • 부모는 그냥 덮어 씌우는게 아니라 fork() 실행해 복제 후

  • 부모 자신은 원래 실행하던 프로그램 이어서 실행하고

  • 자식에게는 exec() 실행해 기존 프로그램 말고 다른 새로운 프로그램을 돌리게 함

wait() system call

wait-systemcall

• 프로세스 A가 wait() system call을 호출하면

  • 커널은 자식 프로세스가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep시킨다 → blocked 상태

  • 자식 프로세스가 종료되면 부모가 CPU를 얻고, 커널은 프로세스 A를 깨운다 → ready 상태

• Linux에서는 command를 입력할 때, 기본적으로 입력받을 수 있는 한 줄이 하나의 프로세스 (Shell)

  • command 하나가 종료되어야 또다른 command를 입력 가능

  • command 하나가 실행시키면 자식 프로세스의 형태로 실행되는 것

• 정리

  • 부모 프로세스는 자식 프로세스가 종료될 때 까지 blocked 상태로 기다리다가

  • 자식이 종료되면 다시 깨어나서 일을 할 수 있음

exit() system call

자발적 종료

• 마지막 statement 수행 후, exit() 시스템 콜을 통해 종료

• 프로그램에 명시적으로 적어주지 않아도 main 함수가 리턴되는 위치에 컴파일러가 넣어줌

비자발적 종료

• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시킴

  • 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원 요청

  • 자식에게 할당된 태스크가 더이상 필요하지 않음

• 키보드로 kill, break를 입력한 경우

• 부모가 종료하는 경우

  • 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료됨

프로세스간 협력

독립적 프로세스(Independent 프로세스)

• 프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행되므로 원칙적으로는 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못함

• 프로세스는 항상 독자적으로 작동됨

협력 프로세스(Cooperating 프로세스)

• 프로세스 협력 메커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있음

• 경우에 따라서는 프로세스간 협력이 필요함

• 다른 프로세스의 메모리를 볼 수 없고, 상대 프로세스와 무언가를 주고받지는 못하기에, 아래와 같이 IPC에 따라 정보를 주고받으며 협력함

프로세스 간 협력 메커니즘 (IPC: Inter프로세스 Communication)

IPC

(1) Message Passing (메시지 전달 방법)

커널을 통해 메시지를 전달하며, 운영체제 커널에 메시지를 전달해서 다른 프로세스가 커널로부터 전달을 받는 방법 사용

Message System

프로세스 사이에 공유 변수(shared variable)를 일체 사용하지 않고 통신하는 시스템

Direct Communication

통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시하며, 메시지를 누구한테 보낼지를 명시하여 양자간에 합의된 명시적 메시지 전달 방식

Direct-Communication

Indirect Communication

mailbox (or port)를 통해 메시지를 간접 전달하며, 타겟을 명시하지 않고 전달하면 협력하는 프로세스 중 하나가 꺼내가도록 하는 방식

Indirect-Communication

(2) Shared Memory (주소 공간을 공유하는 방법)

• 서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 shraed memory 메커니즘이 있음

• 서로 공유 운영체제에게 system call을 통해 부탁해 메모리 일부를 공유하겠다고 함(메모리를 공유한다는 것은 서로 협력이 가능하다는 뜻)

• 단, 서로 신뢰할 수 있을 때만 공유해야 함

• 참고) Thread

  • 스레드는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스간 협력으로 보기에는 어렵지만, 동일한 프로세스를 구성하는 스레드들간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능