제 2 장 프로세스 개념 및 관리

컴퓨터공학과 운영체제

제 2 장프로세스 개념 및 관리

운영체제OS Operating Systems


개념 작업 (job)

실행 프로그램과 이에 필요한 입력 데이터의 묶음 컴퓨터에 실행 의뢰되기 전의 상태

프로세스 (process) 커널에 등록된 작업 커널에 등록되어 커널의 관리하에 들어간 작업

프로그램

데이타

작업

커널등록

프로세스컴퓨터 시스템

작업과 프로세스의 개념 비교


프로세스의 정의 프로세스 정의

실행중인 프로그램 ( 작업 )

커널에 등록되고 커널의 관리하에 있는 작업

각종 자원들을 요청하고 할당받을 수 있는 개체

PCB( 프로세스 관리 블록 ) 을 할당받은 개체

능동적인 개체 실행 중에 각종 자원을 요구 , 할당 , 반납하며 진행


자원의 개념 자원의 개념

커널에 의해 다른 주체 (process) 에게 할당 또는 반납되는 피동적인 개체

자원의 분류

하드웨어 자원

소프트웨어 자원

기억장치 , 프로세서 , 하드 디스크 , 자기 테이프 , 단말기 , 모니터 , 키보드 등

메시지 , 시그널 (signal), 화일 , 각종 공유 소프트웨어 등


프로세스 제어 블록 (PCB) Process Control Block 커널 공간 (kernel space) 내에 존재

프로세스의 일생 동안 프로세스의 모든 정적 및 동적인 정보를 가짐 ( 시스템 수준 문맥 )

커널에 등록된 각 프로세스들에 대한 정보를 저장하는 영역

커널은 PCB 를 통해 프로세스 관리 준비 리스트 , 대기 리스트 : PCB 의 리스트


PCB

Memory

Kernel PCB-1 PCB-2 PCB-n

P1

P2

Pn

각 프로세스들에 대한상태정보 저장


PCB

PCB 내의 정보 프로세스 고유 번호 (PID : Process Identification Number) 프로세스 우선순위 (priority)

우선순위 - 기반 스케줄링시 필요한 정보 프로세스 현재 상태 (current state) 메모리 관리 정보 (Memory management information)

Base/limit registers, page tables, segment tables I/O 상태정보 (I/O status information)

List of I/O devices allocated, list of open files 문맥 저장 영역 (context save area)

실행중인 프로세스의 일시 중지시 레지스터 문맥의 저장 영역

PCB 에 저장되어야 할 정보는 운영체제에 따라 서로 다름커널의 PCB 영역 참조 및 갱신 속도 개선은 시스템 전체 성능에 중요함


프로세스 상태 프로세스 상태

현재 소유 / 요청하고 있는 자원들의 종류에 따라 구분

활동 상태(active,

swapped-in)

실행 상태(running)

준비 상태(ready)

프로세스 상태의 종류 및 특성

상 태 특 성

프로세서를 할당받은 상태

대기 상태(blocked, asleep)

필요한 자원을 모두 소유하고프로세서를 요청하고 있는 상태

프로세서외 다른 자원도 없는 상태

기억장치를할당받은

상태

지연 상태(suspended, swapped-out)

지연 준비 상태(suspended ready)

지연 대기 상태(suspended blocked)

프로세서를 요청하고 있는 상태

프로세서외 다른 자원도 없는 상태

기억장치를잃은상태


running

ready

suspendedblocked

suspendedready

asleep(blocked)

terminated

created

dispatch

(schedule)

timerrunout

(preemption)

exit

sleep

(block)

wakeup

swap-out

(suspend)

swap-out

(suspend)

swap-in

(resume)

swap-in

(resume)

(active)(suspended)

wakeup

프로세스 상태전이도


생성 상태 (created state) 사용자가 요청한 작업이 커널에 등록되고 PCB 가 할당되어 새로운 프로세스가 만들어지는 상태 일시적으로 거쳐가는 상태

커널 기억장치 공간 검사 준비 상태 또는 지연 준비 상태로 전이시킴

프로세스 상태


준비 상태 (ready state) 프로세스가 필요한 모든 자원을 할당받고 프로세서를

할당받기 위해 기다리고 있는 상태 프로세서만 할당받으면 즉시 실행 가능한 상태

디스패치 (dispatch) 또는 스케줄 (schedule) 준비 상태에서 실행 상태로의 전이

프로세스 상태


실행 상태 (running state) 프로세서에 의해 실행되고 있는 상태 프로세스가 원하는 모든 자원 ( 프로세서까지 ) 을 소유한 상태 타임 슬라이스를 소진하거나 , 입출력 요구 등을 하여 CPU 를

자진 반납할 때까지 실행 상태

선점 (preemption) 실행중인 프로세스가 프로세서 시간 할당량 (time quantum, time slic

e) 종료 , 우선순위 등으로 인하여 자신에게 할당된 프로세서를 반납해야 하는 경우 준비 상태로 전이

블럭 (block/sleep) 프로세스가 실행 중 자원을 요청하거나 기타 다른 이유로 system cal

l 을 하는 경우 대기 상태로 전이

프로세스 상태


사용자 모드 실행 (user mode running) : 사용자나 라이브러리 코드가 실행되고 있는 상태

커널 모드 실행 (kernel mode running 또는 system mode running) : 프로세스가 시스템 호출을 하거나 인터럽트 발생으로 커널 내부로 진입하여 커널의 코드부분이 실행되는 상태

사용자 모드 특수 레지스터에 CPU 의 모드가 사용자 모드임이 표시됨 다른 사용자 영역에의 침입이나 특권 명령어 및 자원의 무단 사용을 막기

위해 보호 하드웨어가 작동됨 커널 모드

입출력 장치나 자원 관리와 관계된 특권 명령어 (privileged instruction) 실행 가능

보호 하드웨어 통과


대기 상태 (blocked/asleep state) 프로세스가 프로세서 외의 특정 자원을 요청하고 이를

할당받을 때까지 기다리고 있는 상태 입출력 요구 , 사건 발생 대기 중에는 CPU 가 필요 없음 . CP

U 반납 후 사건 발생 시까지 대기 대기 상태 중에도 I/O 는 진행될 수 있음 CPU 와 I/O 를 overlap 할 수 있는 기반이 됨 system call SVC(Supervisor Call)

커널은 프로세스의 요청을 받기 위한 system call interface 를 제공

wakeup 프로세스가 요청한 자원을 할당받는 등의 event 가 발생하면

다시 준비 상태로 전이

프로세스 상태


지연 상태 (suspended state)

프로세스 생성 후 기억 장치의 양이 부족한 경우

지연 준비 상태 (suspended ready state) 준비 상태의 프로세스가 기억장치 잃은 경우

지연 대기 상태 (suspended asleep state) 대기 상태에서 기억장치를 잃는 경우

활동 상태의 프로세스가 기억장치를 잃게 되는 이유 커널에 의해 선택되는 경우 : 시스템 기능 이상 , 시스템 과부하 프로세스 스스로 기억장치를 반납하는 경우 : 실행 도중 프로그램의 의심스런 부분

확인

swap-out(suspend) 프로세스가 기억장치를 잃는 경우

swap-in(resume) 프로세스에게 기억장치가 할당되는 경우

프로세스 상태


종료 상태 (terminated/zombie state) 프로세스의 실행이 완료되어 모든 자원들을 반납하고 커널 공간 내에 PCB 등의 프로세스 관리 정보만이 남아 있는

상태

프로세스 상태


프로세스의 상태 전이

신규

준비

대기

실행

종료작업스케줄러

타임 슬라이스 소진비자발적 문맥 교환

CPU 스케줄러입출력 완료 등

사건 발생입출력 요구 ,동기화 대기 등자발적 문맥 교환


Scheduling Queues Ready queue

준비 상태의 프로세스들의 공통점 프로세서 외의 모든 자원을 확보한 상태로 프로세서 요청 중임

준비 - 큐 (ready queue), 준비 - 리스트 (ready list) 프로세스 스케줄링 (process scheduling)

프로세서 가용시 , 준비 리스트로부터 한 프로세스를 디스패치함

running

ready asleep

dispatch

(schedule)

timerrunout

(preemption)

sleep

(block)

wakeupP1P2P3 ready

list

준비 리스트


Block queue 대기 상태의 프로세스 큐 각 프로세스가 요구한 자원의 종류에 따라 분류 가능 대기 - 리스트 (block list), 대기 - 큐 (block queue)

각 자원의 종류별 관리 큐의 개수 커널이 관리하는 자원의 종류의 수

running

ready asleep

dispatch

(schedule)

timerrunout

(preemption)

sleep

(block)

wakeupP11 P12 P13

P21 P22

Pk1 Pk2 Pk3blockedlist

Scheduling Queues

대기 리스트


Thread 개념 Thread 정의

Lightweight process(LWP: 경량 프로세스 ) CPU 스케줄의 단위 구성

Thread ID Program counter Register set Stack

같은 프로세스에 속한 모든 thread 들은 코드 , 데이터 , 파일 등의 자원을 공유한다

응용분야 : web server, RPC server, web browser 전통적인 기존 process : single thread of control


Thread 개념

모든 thread 들에게 공유되는 항목 각 thread 마다 독립적으로

할당되는 항목


Single/Multi-threaded processes

code data files

registers stack registers

stack

registers

stack

registers

stack

code data files

단일 thread 다중 thread

thread


Three processes each with one thread One process with three threads


Thread 개념 이점

Responsiveness( 응답성 )

Resource sharing( 자원공유 )

Economy( 경제성 )

Utilization of multiprocessor architectures ( 다중처리기 구조의 활용 )


A word processor with three threads


A multithreaded Web server


While (1){ clientFd = accept(serverFd, clientSockAddrPtr, &clientLen); // if (fork() == 0) // { writeRecipe(clientFd); close(clientFd); // exit(0); // } // else // close(clientFd);}

//clone(writeRecipe2, child_stack, CLONE_VM|CLONE_FILES, arg);


Implementing Threads in User Space

A user-level threads package


Implementing Threads in the Kernel

A threads package managed by the kernel


Hybrid Implementations

Multiplexing user-level threads onto kernel- level threads


Pthread example(1)#include <stdio.h> #include <pthread.h> void consumer (void); // thread function prototype char buffer[n]; int n, in = 0, out = 0; int main () { char nextp; int i; pthread_t tid; pthread_create (&tid, NULL, consumer,NULL); // consumer thread 의 생성 // main thread 는 producer 의 역할을 한다 . // consumer thread 와 병행으로 수행된다 . for (i = 0; i < 500; i++) { produce an item in nextp while ( (in+1) % n == out) ; // 대기 loop buffer[in] = nextp; in++; in %= n; } pthread_join (tid); }


Pthread example(2)void consumer(void) { char nextc; for (i = 0; i < 500; i++) { while (in == out) ; // 대기 loop nextc = buff[out]; out++; out %= n; ... consume the item in nextc; } }

Circular Buffer

Consumer

ProcessProducer

Process

ProducerProcess


인터럽트 처리 및 문맥 교환 인터럽트 개념

unexpected event

인터럽트의 일반적인 종류 입출력 인터럽트 (I/O interrupt) 클럭 인터럽트 (clock interrupt) 콘솔 인터럽트 (console interrupt) 프로세스간 통신 인터럽트 (interprocess communication interrupt) 시스템 호출 인터럽트 (system call interrupt, SVC interrupt) 프로그램 오류 인터럽트 (program check interrupt) 하드웨어 검사 인터럽트 (machine check interrupt)


인터럽트 처리 과정인터럽트 발생

프로세스 중단

인터럽트 처리 (interrupt handling) 인터럽트 발생 장소 , 원인 파악

인터럽트 서비스 할 것인지 결정

인터럽트 서비스 루틴 (interrupt service routine) 호출

커널 : 인터럽트 발생시 항상 개입하여 인터럽트의 처리 과정 및 인터럽트 서비스 과정을 제어함


인터럽트 처리 과정

Pi

Interrupthandler

프로세서ISR-1ISR-2

ISR-n

Kernel

주기억장치인터럽트 발생

PCBiContext saving

Interrupt

handling

Interrupt

service

Context restoring

PCBj


문맥 보존 및 문맥 교환 문맥 (context) 의 의미

특정 프로세스와 관련된 정보들의 총집합 프로세스의 실행 중단시 보존되고 , 속개시 다시 원상 복구되어 야 하는 프로세스의 실행을 위한 모든 정보

context saving 실행중인 프로세스의 레지스터 문맥 보존을 위하여 저장하는 일

context restoring 기존에 저장되었던 문맥을 프로세서로 다시 이동시키는 일

context switching 실행 상태의 프로세스를 다른 프로세스로 교체하기 위하여

그들의 문맥을 각각 save 하고 restore 하는 일


프로세스 문맥의 구성

텍스트 (text) 영역 자료 (data) 영역 스택 (stack) 영역

사용자 수준 문맥 (user-level context)

CPU 내의 각종 범용 및 특수 레지스터의 내용 (Program counter register 포함 ) 프로세스의 현재의 각종 자원 사용 정보 기타 커널의 프로세스 관리 정보

시스템 수준 문맥 (system-level context)


문맥 교환 (context switching)

시분할 기반의 스케줄링에 의한 CPU 선점이나 , 프로세스 스스로 입출력 요청에 의해 CPU 를 반납할 때 , CPU 는 다른 프로세스에게 할당된다 .

이때 , 실행이 정지되는 프로세스의 문맥은 보존되고 , 새로 실행되는 프로세스의 문맥이 활성화된다 .

사용자 수준 문맥은 메모리에 남아 있으나 , 레지스터의 내용들은 추후의 복구를 위해 저장되고 , 새로운 문맥이 적재된다 .


문맥 교환

Registers범용 registers

Program Counter

Stack Pointer, 기타

실행 중단 프로세스의 문맥 정보

실행 속개 프로세스의 문맥 정보

save restore


UNIX KERNEL 5 - 10 % of total UNIX OS

memory 상주 - 90% C - 10% Assembly

효율성 , 하드웨어 제어부분 3 부분

프로세스 관리 파일 시스템 I/O 시스템

2 modes of machine operations kernel mode user mode

for protection (memory space, privileged instruction

등 )


UNIX KERNEL 모드 전환

user's source program : " read next word from file X into variable y " object program : 시스템 호출을 위한 매개변수 준비 인터럽트 실행 CPU : save state vector( 문맥 ) CPU mode ← kernel mode 로 전환 인터럽트 서비스 루틴으로 이동 OS : (interrupt handler 는 커널 영역 ) interrupt 원인 파악 (system call, illegal code, address fault,....) 해당 kernel procedure 로 이동 | system call service | OS 가 CPU mode ← user mode 로 전환 restore state vector( 문맥 ) Now, back to user program.


UNIX PROCESS MANAGEMENT PCB(process control block)

In UNIX, PCB is divided into 3 parts u proc text

All in the kernel address space used by kernel for system call services


UNIX PROCESS MANAGEMENT Proc Table

process마다 하나씩 할당됨 항상 memory 에 상주 allocated when process is created freed when process is terminated 저장 내용

프로세스가 디스크로 swap-out 되었을지라도 메모리에 남아있어야 하는 부분들

process id, 상태 , 우선순위 , waiting event, location of "image" (text segment, data segment,.....)

프로세스가 실행중이 아닌 중에도 시스템에 의해 필요한 정보들


UNIX PROCESS MANAGEMENT U block (1024 bytes)

프로세스가 실행중일 때만 시스템에 의해 필요한 정보들 프로세스와 함께 swap-out 가능 low overhead for suspended process (only proc table entry, which is few words !) CONTENT of u block

open files descriptor directory(current, root) command argument state vector save area offset execution time (for scheduling) signal parent process id pointer to proc table entry others


UNIX PROCESS MANAGEMENT

fork system call : 프로세스 생성 시스템 호출 프로세스 개수를 증가시킬 수 있는 유일한 방법 create a copy of itself All environments (u block) are shared (exact copy)

process id 만 다름 process 간에 메모리 공유하지 않음 ( 단지 생성시의 모든 정보 상속 )

fork 수행과정 새로운 프로세스를 위해 프로세스 테이블항을 할당 자식 프로세스에게 고유의 ID 번호 부여 부모 프로세스의 내용 복사 프로세스와 관련된 자원들 ( 파일 테이블 ,inode 테이블 등 ) 의 이용 카운터 증가 부모 프로세스에게는 자식의 ID 번호를 return, 자식 프로세스에게는 0 을 return


fork 를 사용한 프로세스 생성


UNIX PROCESS MANAGEMENTmain(){ int pid; printf("Just one process so far\n"); printf("Calling fork …\n"); pid = fork(); if(pid == 0) printf("I'm the child \n "); else if (pid > 0) printf("I'm the parent, child has pid %d \n ", pid); else printf("Fork returned error code, no child \n "); }


fork 에 의한 프로세스 생성int a = 3; int main() { int pid; : do something; if ((pid = fork()) == 0) { //child a = 4; // child’s variable a printf ("child's a = %d\n", a); exit(0); // child 종료 } else // end of child { // parent a = 5; // parent’s variable a printf ("parent's a = %d\n", a); wait(); // parent 는 child 의 exit 까지 대기 } do something; }


UNIX PROCESS MANAGEMENT exec system call

text & data segments 를 새로운 것으로 교체 즉 프로그램을 다른 것으로 교체하는 효과

exec does not change process but execute different code goto 와 유사

디스크의 프로그램을 새로운 프로세스로 생성하기 위해 fork + exec 를 사용

다른 운영체제에서는 fork 와 exec 의 기능을 합한 시스템 호출을 제공함


exec 계열을 사용한 프로세스 생성


#include <unistd.h>

int execl(const char *path, const char *arg, ...); int execlp(const char *file, const char *arg, ...); int execv(const char *path, char *const argv[]); int execvp(const char *file, char *const argv[]); arg path 나 file 로 지정한 실행 파일을 실행할 때 필요한 명령어

라인의 옵션과 인자이다 . 한 개 이상을 지정할 수 있으며 마지막 인자는 반드시 NULL 포인터로 지정해야 한다 .

argv arg 와 같은 의미를 가지나 문자형 포인터의 배열로 형태가 다르다 . 배열의 마지막은 NULL 문자열로 끝나야 한다 .


exec 계열의 함수는 지정한 실행 파일로부터 프로세스를 생성한다 . fork 는 실행 중인 프로세스로부터 새로운 프로세스를 생성한다 .

exec 계열 함수의 사용 예 셸 프롬프트 상에서 “ ls”를 실행하는 것과 비교

$ ls -l apple/ ... execlp("ls", "ls", "-l", "apple/", (char *)0);

main 함수의 *argv[] 에 저장되는 문자열들과 같다 .

프로세스를 생성하기 위해 선택된 실행 파일의 이름이다 .


UNIX PROCESS MANAGEMENT/* run ls in a subprocess */main(){ int pid; pid = fork();

if (pid > 0) { wait((int *) 0); printf("ls completed \n "); exit(0); } if (pid == 0) { execl("/bin/ls", "ls", "-l", (char *)0); perror("execl failed"); exit(1); } perror ("fork failed");}

exec 호출이 성공하면 실행되지 않는다 .


UNIX 계열 프로세스 tree

init

getty getty getty getty

login

shell a.out

fork,exec

exec

execfork + exec

exitwait


축약된 shell 의 코드

while (!logout) {

print prompt sign; accept command line string; parse the command line; // 이때 command 는 “ a.out" 또는 // “a.out&” 이라 가정 if ((pid = fork()) == 0) { // child shell execve ("a.out",,,); } // parent shell if (foreground) while (pid != wait()); }


UNIX PROCESS MANAGEMENT PROCESS 종료

"exit" system call : 자발적 종료 "signal" 이 용 (user kills, quit, break 등 ...) :

비자발적 종료

swappable image(text, data segment, u) 는 즉시 반납

proc table entry 는 존재 → "zombie" 상태

parent 가 wait 중이면 parent 에게 signal 이 감

추 후 parent 가 wakeup, run 하 면 종 료 된 child 의 proc table entry 를 제거해줌


시스템 호출 , 문맥 교환 및 인터럽트 처리 예제

사용자 프로세스가 디스크 입력을 위한 read 시스템 호출을 하여 완료될 때까지의 과정

시스템 호출 처리 대기에 의한 문맥 교환 인터럽트에 의한 디스크 입출력의 처리


사용자 프로세스

int main () { int fd; char buf[100];

do something; fd = open ("my_file", 0);

n = read (fd, buf, 100); // 사용자모드에서 실행 중 // 시스템 호출을 하여 커널로 // 진입하며 커널 모드 실행으로 전환 // 복귀 시는 다시 사용자 모드임 : }


시스템 호출 처리 루틴 (1)

int sys_read (,,,) { // 커널 모드 실행으로 전환된다 파일의 현재 논리적 접근 위치를 디스크 블록 번호로 변환한다 ; 원하는 디스크 블록이 커널의 버퍼 캐시에 있는 지 검색한다 ; if (버퍼 캐시에 있으면 ) { 100 byte 만큼 커널 버퍼의 자료를 사용자 영역으로 복사한다 ; ret_from_sys-call; // 사용자 모드로 복귀한다 . } // 버퍼 캐시에 없으므로 디스크 입력이 필요한 경우이다 . // 유니스 / 리눅스 계열에서 아래 부분은 bread 함수에 의해 실행된다 . 디스크 I/O 요청 블록을 생성한다 ; 디스크 I/O 요청 블록을 disk I/O 큐에 삽입한다 ;



if ( 현 disk I/O 요청 블록이 큐에서 첫 번째이면 ) { // 현재까지 디스크 제어기가 쉬는 상태였음 디스크 제어기에 I/O 명령을 내려 작동을 지시한다 .; } // 이 시점에서 프로세스가 요청한 디스크 I/O 는 // 큐의 첫 번째에 삽입되어 시작되었을 수도 있고 , // 큐의 뒷부분에 삽입되어 ( 즉 다른 디스크 I/O 가 이미 진행 중 ) // 입출력을 시작하지 못한 경우도 있다 .

// 두 경우 모두 디스크 I/O 가 완료될 때까지 프로세스는 // 중앙 처리기를 반납하고 대기 상태로 진입하여야 한다 .

sleep_on ( 디스크 입출력 완료 ); // 디스크 입출력 완료까지 // 대기 상태로 진입



// 대기 상태에서 깨어나면 디스크 I/O 는 완료된 상태이고 , // 이 프로세스는 준비 상태를 거쳐 이미 커널 모드 실행 상태로 // 전환된 것이다 .

I/O 가 수행된 버퍼 캐시에서 사용자 영역으로 자료를 복사한다 ; 사용자 모드로 복귀 ; // 이 때 복귀 과정에서 스케줄링 필요한 경우 스케줄러가 작동된다 . }


커널 내부 함수 sleep_on

int sleep_on (event_name) { 현 프로세스 PCB 의 상태 정보 = BLOCKED; 현 프로세스 PCB 를 준비 리스트에서 삭제한다 ; 현 프로세스 PCB 를 사건 (event) 종류별 대기 큐에 삽입한다 ; 준비 리스트에서 우선순위가 가장 높은 PCB 를 선정한다 ;

// 현 프로세스의 PCB 를 old_PCB, // 준비 리스트에서 새로 선정한 PCB 를 new_PCB 라 하자 .

context_switch ( old_PCB, new_PCB ); // context_switch 에서 새로운 프로세스로 jump 가 일어나고 , // 후에 이 지점으로 복귀되었을 때는 이미 준비 (ready) 상태를 // 거쳐 실행 (kernel-mode running) 상태로 된 것임 . return; }


디스크 인터럽트 처리기int disk_intr_handler (,,) { // 입출력 완료 인터럽트라 가정한다 . // 디스크 입출력 큐의 가장 앞 ( 프론트 ) 에 있는 입출력 요구가 수행 완료된 것이다 .

디스크 입출력 대기 큐 프론트의 입출력 정보 블록을 제거한다 ; 입출력을 요구한 프로세스의 PCB 를 대기 큐에서 제거하여 , 준비 리스트 (ready list)

에 삽입 ; // 대기 큐에서 제거하고 준비 리스트에 삽입하는 것은 // 사건을 기다리던 프로세스를 깨운다는 뜻으로 // wakeup_process(event) 라 표시할 수 있다 .

디스크 입출력 대기 큐의 다음 요구 블록의 입출력 정보로 , 디스크 제어기에 명령을 내려 다음 입출력을 시작시킨다 . 사용자 모드로 복귀 ; // 복귀 과정에서 스케줄러가 동작된다 . }

제 2 장 프로세스 개념 및 관리

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