03. Process-1

11월 27일 in Category / OS

프로세스의 개념, 프로세스의 상태(Process State), 프로세스의 개념, 프로세스 상태도, Process Control Block(PCB), 문맥교환(Context Switch), 프로세스를 스케줄링하기 위한 큐, Ready Queue와 다양한 Device Queue, 스케줄러(Scheduler)

1. 프로세스의 개념

Process is a program in execution

• 프로세스의 문맥(Context)
  • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
    • Program Counter
    • 각종 Registers
  • 프로세스의 주소 공간
    • code, data, stack
  • 프로세스 관련 커널 자료 구조
    • PCB ( Process Control Block )
    • Kernel Stack
• Context : 프로그램이 태어나서 종료될때까지 흐름에서 어느 시점을 딱 잘랐을 때,
  이 프로그램이 무엇을 어떻게 실행했는지, 현재 시점이 어떤 상태인지 정확하게 나타낼때 사용함.
  => 이 프로세스의 현재 상태를 보여준다.

cf) 프로세스가 실행되면 그 프로세스만의 독자적인 공간을 갖게 되고
CPU를 갖게 되면 PC(Program Counter)가 그 프로세스 Code의 어느 한 부분을 가르키게 된다.
그러면 매순간 Instruction 기계어를 하나씩 읽어서 CPU안으로 불러들이고 ALU를 통해 연산을 해서 Register에 저장하거나 Memory에 저장.

이 프로세스의 현재 상태를 나타내기 위한 정보들 :
① Code의 어느 부분까지 실행했는가? = 프로그램 카운터를 보면 알 수 있다.
Code를 한줄한줄 실행하면서 어떤 내용이 존재했으면 ② Stack에 내용이 쌓여 있을 것.
③ Data 지금 변수의 값은 무엇인가?

프로세스 현재상태를 알기위해선
CPU, 메모리 상태, 운영체제가 그 프로세스에 대해서 어떤 값을 가지고 있느냐가 중요.

• Kernel Stack도 필요한 이유?
  -> 사용자 프로그램이 실행중…
  -> PC는 사용자 프로그램의 Code를 가르키고 있다.
  -> 그러던 중 I/O 작업등의 System call이 일어나면 PC는 운영체제의 Code를 가르킨다.
  프로세스마다 별도로 구분해서 관리한다.

==> 이런게 왜 필요한가?
프로세스가 하나만 있으면 상관없지만,
현대는 Time Sharing으로 여러 프로세스가 CPU를 공유해서 쓴다.
내용을 백업해둬야 CPU를 줬다가 다시 받았을때, 처음이 아닌 다음 Instruction을 실행 할 수 있다.

2. 프로세스의 상태 (Process State)

프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다.

• Running : CPU를 잡고 Instruction을 수행중인 상태.
• Ready : CPU를 기다리는 상태.( 메모리 등 다른 조건을 모두 만족 )
• Blocked(Wait,Sleep) : CPU를 주어도 당장 Instruction을 수행할 수 없는 상태.
• New : 프로세스가 생성중인 상태.
• Terminated : 수행이 끝난 상태.

3. Process Control Block (PCB)

운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보.

• (1) : OS가 관리상 사용하는 정보
  • Process State, Process ID,
  • Scheduling Information(우선순위 등), Priority
• (2) : CPU 수행 관련 하드웨어 값
  • Program Counter, Registers
• (3) : 메모리 관련
  • Code, Data, Stack의 위치 정보
• (4) : 파일관련
  • Open File Descriptors…

4. 문맥 교환 (Context Switch)

CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정.
=> 하나의 사용자 프로세스로부터 또 다른 사용자 프로세스로 CPU가 넘어가는 과정

* CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제 수행 단계

① CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장.
② CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴.

* System Call 이나 Interrupt 발생시 반드시 Context Switch가 일어나는 것은 아니다!

(1)의 경우에도 CPU 수행 정보 등 Context의 일부를 PCB에 저장해야 하지만 문맥교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 크다.

cf) 사용자 프로세스로부터 운영체제에게 CPU가 넘어가는 것은 Context Switch 아님!

5. 스케줄러 (Scheduler)

• Long-Term Scheduler (=장기 스케줄러,Job Scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 Ready Queue로 보낼지 결정.
  • 프로세스에 Memory(및 각종 자원)을 주는 문제.
  • degree of MultiProgramming을 제어.
  • Time Sharing System에는 보통 장기 스케줄러가 없음.(무조건 Ready)
• Short-Term Scheduler (=단기 스케줄러, CPU Scheduler)
  • 어떤 프로세스를 다음번에 Running시킬지 결정.
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제.
  • 충분히 빨라야함.(millisecond 단위)
• Medium-Term Scheduler (=중기 스케줄러, Swapper)
  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄.
  • 프로세스에게서 Memory를 뺏는 문제.
  • degree of MultiProgramming을 제어

=> 현대의 컴퓨터는 실행시키면 전부 메모리에 올린다.
( ex. 100개 실행 시 100개 전부 ready 상태가 됨 )
그러면 degree of Multiprogramming을 어떻게 조정하나?
=> 중기스케줄러로 사용한다!

* degree of Multiprogramming : 메모리에 올라가는 프로그램의 수

6. 프로세스의 상태(Process State) - 추가설명

• Running : CPU를 잡고 Instruction을 수행중인 상태.
• Ready : CPU를 기다리는 상태.(메모리 등 다른 조건을 모두 만족)
• Blocked(Wait,Sleep) : I/O 등의 Event를 (스스로) 기다리는 상태.
• Suspended(Stopped) : 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태.
  프로세스는 통째로 디스크에 swap out된다.

Blocked : 자신이 요청한 Event가 만족되는 Ready.
Suspended : 외부에서 Resume해 주어야 Active.

=> 중기스케줄러에 의해 메모리에서 쫒겨낸 애들을 표현하기 위한 Suspended를 사용.( 디스크로 SWAP OUT)
외부에서 정지시켜 놨기 때문에 외부에서 재개를 시켜줘야 Active가 될 수 있다.

cf) User Mode에서 실행하다가 System Call 같은 Interrupt에 의해 운영체제에게 CPU가 넘어갔을 때,
이를 운영체제 커널이 Running하고 있다고 표시하지 않는다.
‘그 사용자 프로세스가 커널모드에서 Running하고 있다’ 라고 표현한다.