[Operating System] 프로세스 관리

반효경 교수님의 운영체제 강의를 듣고 정리하였습니다.

프로세스 생성 (Process Creation)

• Copy-on-Write (COW)
• 부모 프로세스(Parent process)가 자식 프로세스(children process) 생성
• 부모 프로세스를 복제하는 단계(fork())와 새로운 프로그램을 덮어씌우는 단계(exec())를 거친다.
• 프로세스의 트리(계층 구조) 형성
• 프로세스는 자원을 필요로 함
  • 운영체제로부터 받는다
  • 부모와 공유한다
• 자원의 공유
  • 부모와 자식이 모든 자원을 공유하는 모델
  • 일부를 공유하는 모델
  • 전혀 공유하지 않는 모델
• 수행 (Execution)
  • 부모와 자식이 공존하며 수행되는 모델
  • 자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는(wait) 모델
• 주소 공간 (Address space)
  • 자식은 부모의 공간을 복사함 (binary and OS data)
  • 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림
• 유닉스의 예
  • fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스를 생성 (복제 생성)
    • 부모를 그대로 복사 (OS data except PID + binary)
    • 주소 공간 할당
  • fork 다음에 이어지는 exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올림 (다른 프로그램으로 덮어 씌움)

 

프로세스 종료 (Process Termination)

• 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려줌(exit)
  • 자식이 부모에게 output data를 보냄 (via wait).
  • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨
• 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킴 (abort)
  • 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어섬
  • 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않음
  • 부모가 종료(exit)하는 경우
    • 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않는다.
    • 단계적인 종료

 

fork() 시스템 콜

• A process is created by the fork() system call
  • creates a new address space that is a duplicate of the caller.

int main()
{
  int pid;
  pid = fork();
  if (pid == 0) /* this is child */
    printf("\n Hello, I am child!\n");
  else if (pid > 0) /* this is parent */
    printf("\n Hello, I am parent!\n");
}

 

exec() 시스템 콜

• A process can execute a different program by the exec() system call.
  • replaces the memory image of the caller with a new program.

int main()
{
  int pid;
  pid = fork();
  if (pid == 0) /* this is child */
  {
    printf("\n Hello, I am child! Now I'll run date \n");
    execlp("\bin/date", "/bin/date", (char *) 0);
  }
  else if (pid > 0) /* this is parent */
    printf("\n Hello, I am parent!\n");
}

 

wait() 시스템 콜

• 프로세스 A가 wait() 시스템 콜을 호출하면
  • 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep시킨다 (block 상태)
  • child process가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨운다 (ready 상태)

int main()
{
  int childPID;
  /* S1 */
  childPID = fork();
  if (childPID == 0)
    /* code for child process */
   else {
     wait ();
   }
  /* S2 */
}

 

exit() 시스템 콜

• 프로세스의 종료
  • 자발적 종료
    • 마지막 statement 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해
    • 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 더 이상 필요하지 않음
    • 키보드로 kill, break 등을 친 경우
    • 부모가 종료하는 경우
      • 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료됨

 

프로세스와 관련한 시스템 콜

• fork()
  • create a child (copy)
• exec()
  • overlay new image
• wait()
  • sleep until child is done
• exit()
  • frees all the resources, notify parent

 

프로세스 간 협력

• 독립적 프로세스 (Independent process)
  • 프로세스는 각자의 주소 공간을 가지고 수행되므로 원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못함
• 협력 프로세스 (Cooperating process)
  • 프로세스 협력 메커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있음
• 프로세스 간 협력 메커니즘(IPC: Interprocess Communication)
  • 메시지를 전달하는 방법
    • messsage passing: 커널을 통해 메시지 전달
  • 주소 공간을 공유하는 방법
    • shared memory: 서로 다른 프로세스 간에도 일부 주소 공간을 공유하게 하는 shared memory 메커니즘이 있음
    • thread: thread는 사실상 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵지만 동일한 process를 구성하는 thread들 간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능

 

Message Passing

• Message System
  • 프로세스 사이에 공유 변수(shared variable)를 일체 사용하지 않고 통신하는 시스템
• Direct Communication
  • 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시
• Indirect Communication
  • mailbox (또는 port)를 통해 메시지를 간접 전달

 

Interprocess Communication

(사진 출처: KOCW)

 

프로세스 스케줄링이 필요한 이유

• 여러 종류의 job(=process)이 섞여 있기 때문
• Interactive job에게 적절한 response를 제공
• CPU와 I/O 장치 등 시스템 자원을 골고루 효율적으로 사용

 

프로세스의 특성 분류

• 프로세스는 그 특성에 따라 다음 두 가지로 나눔
  • I/O-bound process
    • CPU를 잡고 계산하는 시간보다 I/O에 많은 시간이 필요한 job
    • (many short CPU bursts)
  • CPU-bound process
    • 계산 위주의 job
    • (few very long CPU bursts)

 

CPU Scheduler & Dispatcher

• CPU Scheduler
  • Ready 상태의 프로세스 중에서 이번에 CPU를 줄 프로세스를 고른다.
• Dispatcher
  • CPU의 제어권을 CPU scheduler에 의해 선택된 프로세스에게 넘긴다.
  • 이 과정을 context switch(문맥 교환)라고 한다.
• CPU 스케줄링이 필요한 경우는 프로세스에게 다음과 같은 상태 변화가 있는 경우이다.
  1. Running -> Blocked (예: I/O 요청하는 시스템 콜)
  2. Running -> Ready (예: 할당시간만료로 timer interrupt)
  3. Blocked -> Ready (예: I/O 완료 후 인터럽트)
  4. Terminate
• Preemptive
  • 강제로 빼앗음
• Nonpreemptive
  • 강제로 빼앗지 않고 자진 반납