프로세스 개념

• Process는 실행상태의 프로그램
• 하나의 프로세스는 “하나의 virtual address space를 갖는 실행 단위”를 뜻한다!
  • 스레드: 하나의 process에 속해있는 더 세부적인 실행 단위
  • 이 스레드는 하나의 process 안에 존재하며 이 스레드들은 하나의 process가 갖는 virtual address space를 공유!
  • 핀토스에서는 하나의 프로세스에 하나의 스레드만 갖는다 ⇒ 그래서 혼동 발생!

프로세스의 문맥(context)

• CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥. 특정 시점을 놓고 봤을 때 이 프로세스가 어디까지 수행했는지.

  • 프로세스 진행과정
    1. 프로그램이 실행되면 독자적인 주소 공간을 갖는 가상 메모리를 생성. (code/data/stack)
    2. 그러다 이 프로세스가 CPU를 할당받으면 ⇒ program counter라는 레지스터가 프로세스 A의 가상 메모리 내 code 영역을 가리킴. 매 순간마다 기계어를 읽어와 레지스터에 값을 넣어.
    3. 레지스터에서는 이를 ALU로 넣어서 계산을 진행하고 계산 완료.
    4. 연산이 끝난 값을 다시 레지스터에 넣거나 혹은 메모리로 옮긴다.
    5. 이를 반복
  • 이 과정에서, 어떤 특정 시점에서 스탑했을 때 이 프로세스가 어디까지 진행됐는지! ⇒ 이게 문맥.
  • 문맥을 알기 위해서는
    • 현재 시점에서 프로그램 카운터가 코드의 어디를 가리키고 있는가(코드의 어느 부분까지 실행했는가)를 파악해야 함!
    • 프로세스 메모리에 어떤 내용을 담고 있는가? → 코드 실행되면서 함수 호출했으면 내용을 스택에 쌓아놓고 있을 텐데, 현재 무슨 내용을 얼마나 쌓아놨는가?
    • 데이터 영역의 변수 역시 진행되면서 변경됐을텐데, 어디까지 변경됐나?
    • 레지스터 영역에서 역시 어떤 값을 넣어놓고 어디까지 실행했는가(연산했는가)를 다 알아야!
  • 프로세스의 현재 상태를 나타내는데 필요한 모든 것들을 문맥. 과거에 무엇을 했기에 지금의 문맥이 있는 것.

  

• 문맥은 크게 3가지

  1. 하드웨어 문맥(CPU와 관련: CPU 수행 상태를 나타냄)
     • 프로세스는 CPU를 잡고서 매 순간마다 instruction을 실행. 현재 시점에서 이 프로세스가 어디까지 실행됐는가를 알려면 레지스터에 어떤 값을 넣고 있고 PC가 어디를 가리키고 있고 등의 요소가 필요.
       • PC & 각종 레지스터가 여기에 관련
  2. 프로세스의 주소 공간 (메모리와 관련)
     • 현재 시점에 해당 프로세스의 가상 메모리 내 주소 공간
  3. 프로세스 관련 커널 자료구조
     • PCB(Process Control Block)
       • 커널 주소공간 내 데이터 영역에는 각 프로세스를 관리하기 위해 하나의 프로세스에 대응하는 자료구조인 PCB(process controll block)를 갖고 있음.
       • 프로세스 하나가 실행될 때마다 운영체제는 PCB를 하나씩 두고서 그 프로세스를 관리. 운영체제가 이 친구를 어떻게 관리하고 있나라는 측면에서 PCB
     • 커널 스택
       • 커널 역시 함수로 구성. 커널 코드에서 함수 호출하면 관련 정보를 스택에 쌓아놔.
       • 커널이 누구의 부탁을 받는지가 매번 달라. 스택에 쌓을 때는 어떤 프로세스가 호출했는지에 따라 프로세스별로 스택을 별도로 두고 있다.
       • 현재 프로세스 규명하기 위해서는 해당 프로세스에 대한 커널 스택 역시 확인. 그러면 현재 상태를 규명할 수 있음.
     • 프로세스 혼자 실행하면 이런 과정이 필요 없는데 하나의 CPU가 여러 프로세스한테 자기를 내어주다보니 그 이전 문맥을 백업해놓지 않으면 다른 일 하다가 다시 이 일 하러 왔을 때 어디부터 해야 할지 알 수 없음.

프로세스의 상태(Process state)

• 프로세스는 상태가 변경되며 수행

  • Running
    • CPU를 잡고 있는 건 매 순간 하나. 잡고서 instruction을 수행 중인 상태
  • Ready
    • CPU를 기다리고 있는 상태(이때 주의! 가상 메모리도 실제 물리 메모리에 다 올라와있고 등 이미 실행 준비가 된 상태에서 기다리는 것임!) CPU만 얻으면 곧바로 instruction을 진행할 수 있는 상태.
    • Ready 상태인 프로세스들이 번갈아가며 CPU를 잡고 프로세스를 동시적으로 실행.
  • Blocked(wait, sleep)
    • CPU를 줘도 당장 지시를 수행할 수 없는 상태
    • process 자신이 요청한 이벤트가 즉시 만족되지 않아 기다리고 있는 상태.(디스크에서 파일을 읽어와야 하는 경우 등)
    • 프로세스 하나의 주소공간을 통으로 메모리에 올려놓지 않는다고 했다. 그래서 어느 부분이 디스크에 내려가 있으면 이런 건 디스크에서 메모리로 불러오는데 시간이 걸림. 그러니 그 시간 동안 기다려야 함.
  • New: 프로세스가 생성 중인 상태
  • Terminated: 프로세스가 종료 중인 상태(종료된 건 프로세스가 아니니 종료된 것 말고 종료 중인! 수행이 끝나고 정리하고 있는 상태)

  프로세스 상태도

  

  

  1. new: 새 프로세스 생성 중인 상태
  2. ready: 생성 끝나면 ready → cpu만 얻으면 됨. 최소한 메모리만 갖고 있는 상황. 실행에 필요한 부분만 메모리에 올라와있음.
  3. running: 실행하게 되면 running.
  4. 자진해서 cpu를 내놓는 상황
     1. block 상태로 넘어가: I/O같이 오래 걸리는 상황에서는 CPU 내주고 ready로.
     2. Timer inturrept: cpu를 쓰고 싶은데 시간을 나눠서 써야 하는 상황이라 다른 애들이 치고 들어옴 ⇒ 할당 시간이 만료되면 다른 애들한테 CPU 내주고 다음 차례가 올 때까지 기다려야(ready로 넘어가)
     3. terminated: 아니면 이 차례에서 아예 수행 완료하고 정리하는 단계로 넘어감.

• CPU에 줄서는 queue는 커널 주소 영역의 data에 담겨있음!(자료구조니까)

Process Control Block(PCB)

• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보
• 아래 구성 요소를 구조체로 유지하며 가진다.
  1. OS가 관리상 사용하는 정보
     • Process state(ready, running, blocked), Process ID
     • 스케쥴링 정보, 우선순위
       • queue에 먼저 온 순서대로 처리하는 것처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않음. round-robln. queue안에서 가장 우선순위가 높은 애를 먼저 실행!
  2. 프로세스의 문맥을 표시하기 위한 정보 - CPU 수행 관련 하드웨어 값
  3. 메모리 관련 문맥
     • code, data, stack 위치 정보
  4. 파일 관련 정보
     • Open file descriptors

문맥 교환(context switch)

• CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

• CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 OS는 아래를 수행

  • 뺏기던 시점의 문맥을 기억한다(PCB에 CPU를 내어줄때의 프로세스 상태를 저장)
  • CPU를 새롭게 얻는 프로세스 상태를 PCB에서 읽어온다.

• CPU를 뺏겼을 때 ⇒ 레지스터에 저장되어 있던 값을 PCB에 저장! (레지스터 값, PC 안에 들어있는 값, 메모리 맵도 PCB에! ⇒ 여기서 말하는 것들은 전부 CPU 안에 들어있는 값들.)

  

• 문맥교환될 때 save하는 건? 커널에서 프로세스의 PCB ⇒ CPU 문맥을 세이브하기 위한 위치는 메모리에서 커널이 관리하는 커널 주소 영역! 이게 PCB를 구성. PCB는 커널 내 각 프로세스마다 배정된 공간(PCB)에 저장.