Process

아래의 교재를 바탕으로 진행되는 ‘건국대학교 컴퓨터공학부’ 진현욱 교수님 수업을 바탕으로 정리된 내용입니다.

https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/

Operating Systems: Three Easy Pieces

 

시작하기에 앞서. 어렵다

 

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Program vs Process

• Program
  • Bunch of instructions and static data in the disk
  • CPU가 이해할 수 있는 명령어들이 포함되어 있음.
  • executable file의 형태로 디스크에 다 저장되어 있음.
• Process
  • A running program, 실행되고 있는 프로그램.
  • Machine state
    • Memory: instructions and data
    • Registers: Program counter, stack pointer, etc.
    • Others: list of the files the process currently has open
• APIs
  • Create, destroy, wait, miscellaneous control, and status

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• fork() System Call

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
        printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
        int rc = fork();
        if (rc < 0) {
                fprintf(stderr, "fork failed\n");
                exit(1);
        } else if (rc == 0) {
                printf("I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
        } else {
                printf("I am parent of %d (pid:%d)\n", rc, (int) getpid());
        }
        return 0;
}

실행 결과

• wait() System Call

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[]){
        printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
        int rc = fork();
        if (rc < 0) {
                fprintf(stderr, "fork failed\n");
                exit(1);
        } else if (rc == 0) {
                printf("I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
        } else {
                int wc = wait(NULL);
                printf("I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n", rc, wc, (int) getpid());
        }
        return 0;
}

실행 결과

• 항상 child → parent 순서

 

• exec() System Call
  • execvp?
    • int execvp( const char file_path, *char** *const argv[])

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>

int main(int argc, char *argv[]){
        printf("hello world (pid:%d)\n", (int) getpid());
        int rc = fork();
        if (rc < 0) {
                fprintf(stderr, "fork failed\n");
                exit(1);
        } else if (rc == 0) {
                printf("I am child (pid:%d)\n", (int) getpid());
                char *myargs[3];
                myargs[0] = strdup("fork");
                myargs[1] = strdup("exec.c");
                myargs[2] = NULL;
                execvp(myargs[0], myargs);
                printf("this shouldn’t print out\n");
        } else {
                int wc = wait(NULL);
                printf("I am parent of %d (wc:%d) (pid:%d)\n", rc, wc, (int) getpid());
        }
        return 0;
}

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Crux of the Problem

• 만약에 프로세스들이 엄청 많아지면 어떻게 될까?
  • 가지고 있는 CPU, Core의 갯수는 한정적인데…
    • 이보다 더 많은 프로세스를 실행시킬때 어떻게 작동하는가??
• Virtualiation of the CPU
  • Sharing a Toy
    • 현실은 만만치 않다..
  • 가장 대표적인 방법은 “Time Sharing”이다.
    • 시간이 지나면 자원을 뺏어서 다른 프로세스에게 주는 개념
    • Time Sharing을 한다고 하면 한정적인 CPU 자원에 대해서 여러 프로세스를 동시에 돌리는 것과 같은 Abstraction을 줄 수 있음.
    • 사용자 입장에서는 CPU, Core 갯수에 제약을 받지 않고, 여러 프로세스들이 병렬적으로 실행되는 것처럼 보일 수 있음
    • 모든 프로세스의 성능이 떨어지는 것 아닌가?
      • Context Switch의 Overhead…
      • 효율성..
    • 어떤 관점에 따라서는 좋을 수도, 다른 관점에 따라선 나쁠 수도 있음.

운영체제 강의자료 참고(24학년도 건국대학교 컴퓨터공학부 운영체제 진현욱 교수님 강의자료)

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프로세스의 상태

• Process State
  • Running
    • 현재 이 프로세스가 CPU자원을 할당받아서 실행되고 있는 상태
  • Ready
    • CPU자원이 할당되면 언제든지 실행될 수 있는데, 현재는 받지 못해서 기다리고 있는 상태
  • Blocked(Waiting)
    • 프로세스가 실행이 되다보면, CPU 자원을 할당받아서 실행하고 있었는데, 계속해서 실행을 하지 못하는 경우
    • 프로세스가 I/O 요청을 한 경우, 일반적으로 CPU에 비해 속도가 느리기 때문에, 데이터를 요청했을 때 제공을 기다리는 시간동안 Blocked 상태로 옮겨주게 됨.
    • wait 시스템 콜을 사용한 경우, 어느 프로세스가 끝날 때까지 기다리는 경우(계속 기다리는 경우)

https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/

• Example

Time	P0	P1	Notes
1	Running	Ready
2	Running	Ready
3	Running	Ready	P0 initiates I/O
4	Blocked	Running	P0 is blocked, so P1 runs
5	Blocked	Running
6	Blocked	Running
7	Ready	Running	I/O done
8	Ready	Running	P1 now done
9	Running	-
10	Running	-	P0 now done

 

- CPU0 하나만 있다고 가정했을 때, CPU자원을 할당받은 프로세스 순서(Time 순서)

0

0

0

1

1

1

1

1

0

0

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Data Structures (Process Control Blocks)

• 운영체제는 프로세스 하나가 생성될 때마다 해당 프로세스를 관리하기 위한 자료구조를 함께 생성한다
  • 이를 Process Control Block이라고 한다 (PCB)
  • 네트워크에서도 PCB 약자를 사용(Protocol Control Block), 이와 헷갈리지 말 것.
• Linux kernel
  • /include/linux/sched.h
  • task_struct 구조체가 PCB 역할을 해준다.
  • Ready라는 State를 따로 구별하지 않음 → TASK_RUNNING 상태로 포함
  • stack은 프로세스가 실행되면서 함수가 실행될 때마다 temporal한 정보를 넣기 위한 스택의 위치를 알려주는 포인터
    • 프로세스마다 스택은, 유저쪽 코드를 실행하는 스택과 시스템 콜을 호출해서 커널안으로 진입했을 때 실행되는 코드를 위한 스택이 각각 존재. (각각 user-mode stack, kernel-mode stack)
  • cpu는 현재 프로세스가 몇 번 cpu 코어에서 다뤄지는 지 정보를 담고 있음
  • mm은 Memory_virtualization을 하기 위한 정보를 담고 있는 구조체
  • parent, children은 fork에 의해서 생성된 관계 정보를 저장.
    • 커널 안에서 circular_doubled_linked_list로 관리됨.
  • files에서는 해당 프로세스에서 연 파일 정보를 담고 있음

struct task_struct {
        volatile long state; // Running, Ready, Blocked 상태보다 훨씬 많은 state가 존재(세분화됨)
        void *stack; 
        ...
        unsigned int cpu;
        ...
        struct mm_struct *mm;
        ...
        struct task_struct *parent;
        struct list_head children;
        ...
        struct files_struct *files;
        ...
}

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Scheduling Queues

• OS manages three types of queue
  • 각각의 CPU마다 상태별로 프로세스들을 구분해서 Queue에 넣어준다.
  • Run queue
  • Ready queue (레디~큐 🫨)
  • Waiting queue
• 앞서 본 Example에서 프로세스들이 어떤 Queue에 넣어지는지 보자.

Time	P0	P1	Notes	Queue
1	Running	Ready		Run Queue -> P0 Ready Queue -> P1 Waiting Queue -> X
2	Running	Ready
3	Running	Ready	P0 initiates I/O
4	Blocked	Running	P0 is blocked, so P1 runs	Run Queue -> P1 Ready Queue -> X Waiting Queue -> P0
5	Blocked	Running
6	Blocked	Running
7	Ready	Running	I/O done	Run Queue -> P1 Ready Queue -> P0 Waiting Queue -> X
8	Ready	Running	P1 now done
9	Running	-
10	Running	-	P0 now done

 

참고

https://medium.com/@sohailk1999/five-state-process-model-6e83d7428c8c