Operation System 2(프로세스 1)

프로세스: 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램

스레드: 프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위

커널: 운영체제 중 항상 필요한 부분만을 전원이 켜짐과 동시에 메모리에 올려놓고 그렇지 않은 부분은 필요할 때 메모리에 올려서 사용하게 된다. 이 때 메모리에 상주하는 운영체제의 부분을 커널이라고 함

💿 역할

프로세스는 독립적인 주소공간 할당(공유 메모리가 따로 존재함)

• Code: 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)
• Data: 전역변수, 정적변수, 배열 등
  • 초기화 된 데이터는 data 영역에 저장
  • 초기화 되지 않은 데이터는 bss 영역에 저장
• Heap: 동적 할당 시 사용(new, malloc 등)
• Stack: 지역변수, 매개변수, 리턴 값(임시 메모리 영역)
  • 스레드는 Stack만 독립적인 주소공간으로 할당

즉 프로세스는 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용하지만, 스레드는 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용한다는 차이가 존재 ___

💿 프로세스 상태

커널 내에는 준비 큐, 대기 큐, 실행 큐 등의 자료 구조가 있으며 커널은 이것들을 이용하여 프로세스의 상태를 관리한다.

• 생성상태 > 준비 상태
  • 미리 정의된 정책에 따라 스케줄러에 의해 호출, 이때 메모리의 이용 가능성과 어떤 장치가 요구되는지를 검사한다.
• 준비상태 > 실행 상태
  • 사전에 정의된 알고리즘(FCFS,RR, SRT등)에 따라 스케줄러에 의해 처리됨. 이를 dispatch라고 한다.
• 실행상태 > 대기상태
  • READ, WRITE 또는 다른 I/O 요구, 페이지 교환을 요구하는 작업 같은 명령 등에 의하여 일어난다.
  • 이러한 작업은 상대적으로 오랜 시간이 걸리기 때문에 그동안 CPU를 다른 프로세스에 할당하여 활용하기 위함이다.
• 대기상태 > 준비상태
  • I/O 장치 관리자의 신호에 의해 일어난다.
  • 페이지 교환의 경우 페이지 인터럽트 핸들러가 메모리에 그 페이지가 있다는 신호를 보내게 되며, 프로세스는 준비 큐에 놓이게 된다.
• 실행상태 > 종료상태
  • 프로세스를 성공적으로 끝마친 경우, 혹은 운영체제가 에러발생을 감지하고 프로세스를 강제로 종료시킨 경우에 스케줄러에 의해 실행된다.

💿 프로세스 제어블록(Process Control Block, PCB)

프로세스 관리를 위해 운영체제는 프로세스 제어블럭에 정보를 저장한다.

PCB들은 LinkedList 형식으로 관리된다. PCB List Head에 PCB들이 생성될 때마다 붙게 된다.

주소값으로 연결이 이루어져 있는 연결리스트이기 때문에 삽입 삭제가 용이함.

즉, 프로세스가 생성되면 해당 PCB가 생성되고 프로세스 완료시 제거됨

• 프로세스 상태
  • 프로세스의 현재 상태
• 프로세스 번호(PID)
  • 프로세스의 구분 기준이 되는 ID를 나타낸다.
• 프로그램 카운터(PC)
  • 프로세스 수행을 위한 다음 명령의 주소를 표시한다.
• 레지스터(Register)
  • 실행 상태에서 다른 상태로 전이되는 경우 CPU의 레지스터 정보를 이곳에 저장시켜서 나중에 다시 실행상태로 전이될 때 복구 시켜 프로세스의 정확한 수행을 이어간다,
• 메모리
  • 프로세스가 저장된 주소와 가상 메모리를 사용하는 경우에는 가상주소와 실제주소 사이의 사상(mapping)정보, 기준 레지스터(base Register)와 경계 레지스터(bound Register)등의 정보를 포함한다.
• 프로세스 우선순위
  • 시스템에 의해 이용, 스케줄링 시 어떤 작업을 선택할 것인가를 결정
• 회계 정보
  • 성능 측정과 순위에 대한 목적을 위한 정보이다.
  • CPU 사용시간, 프로세스의 시스템 존재 시간, 메모리 용량, 보조기억장치 사용량, 그리고 기타 시스템 프로그램의 사용 실태 등 다양한 정보를 포함한다.

💿 프로세스 생성과 종료

• 프로세스 생성
  • 부모 프로세스는 실행과정 동안 프로세스 시스템의 호출을 이용하여 여러개의 자식 프로세스를 생성한다.
  • 프로세스 생성과 관련된 작업인 프로세스의 이름을 결정하고 프로세스 준비 큐에 삽입하여 프로세스에 초기 우선순위를 부여하고 프로세스에 대한 프로세스 제어 블록을 만든다.
  • 프로세스는 작업을 수행하기 위해 자원이 필요한데 자식 프로세스가 생성되면 운영체제로부터 직접 자원을 얻거나 부모 프로세스 자원의 일부를 얻는다.(과도한 서브 프로세스 생성으로 인한 과부하 방지)
  • 프로세스 생성시 물리적, 논리적 자원을 얻는 것 이외에도 몇몇 초기화 데이터가 부모에 의해 자식 프로세스로 전달된다.
• 프로세스 종료
  • 프로세스는 마지막 문장이 실행을 마쳤을 때 종료된다.(혹은 에러가 발생하거나)때 프로세스는 부모 프로세스에게 실행 결과를 되돌려 준다.
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스 실행 종료시킬수 있는 경우
    • 자식 프로세스가 할당된 자원의 사용을 초과했을 경우
      • 이는 부모 프로세스가 자식의 상태를 조사할 수 있는 매커니즘이 필요
    • 자식 프로세스에게 할당된 자원이 더이상 필요하지 않은 경우

💿 스케줄링 전략의 분류

CPU 스케줄링 성능 척도

1. Response Time
   • 작업이 처음 실행되기까지 걸린 시간
2. Turnaround Time
   • 실행 시간과 대기 시간을 모두 합한 시간으로 작업이 완료될 때 까지 걸린 시간

선점 스케줄링 정책

어떤 프로세스가 CPU를 할당받아 실행 중에 있어도 다른 프로세스가 실행 중인 프로세스를 중지하고 CPU를 강제로 점유할 수 있다. 즉 모든 프로세스에게 CPU 사용시간을 동일하게 부여 할 수 있다.

• 진행중인 작업에 interrupt를 걸고 다른 작업에 CPU를 할당하는 전략
• 시간 할당 방식에서 주로 사용
• 높은 우선순위의 프로세스가 긴급할 경우에 유용
• 단점으로 경비가 많이 들고 오버헤드를 초래한다. 문맥교환의 문제가 발생하기도 함

즉 어떤 프로세스도 일정시간 이상 동안 연속해서 CPU를 점유할 수 없으므로 계산 위주 프로세스가 많이 적재되어 있다 하더라도 모든 프로세스의 반응 시간 성능을 평균 이상을 유지할 수 있음

종류

• FCFS 스케줄링(First Come First Served Scheduling)
  • 큐에 도착한 순서대로 CPU 할당
  • 실행 시간이 짧은 게 뒤로 가면 평균 대기 시간이 길어짐
• SJF 스케줄링(Shortest Job First Scheduling)
  • 수행시간이 가장 짧다고 판단되는 작업을 먼저 수행
  • FCFS 보다 평균 대기 시간 감소, 짧은 작업에 유리
• HRRN 스케줄링(Highest Response Ratio Next Scheduling)
  • 우선순위를 계산하여 점유 불평등을 보완한 방법(SJF의 단점 보완)
  • 우선순위 = (대기시간 + 실행시간) / (실행시간)

비선점 스케줄링 정책

어떤 프로세스가 CPU를 할당 받으면 그 프로세스가 종료되거나 입출력 요구가 발생하여 자발적으로 중지될 때까지 계속 실행되도록 보장

• 프로세스가 CPU를 할당받아 실행이 시작되면 프로세스 자체가 I/O 인터럽트를 걸거나 프로세스를 종료할 때 까지 실행상태에 있는다.
• 비선점 스케줄링은 우선순위와 관계없이 모든 프로세스가 공정하게 순서에 따라 실행되도록 관리

종류

• RR 스케줄링(Round Robin Scheduling)
  • FCFS에 의해 프로세스들이 보내지면 각 프로세스는 동일한 시간의 Time Quantum 만큼 CPU를 할달 받음
    • Time Quantum or Time Slice : 실행의 최소 단위 시간
  • 할당 시간(Time Quantum)이 크면 FCFS와 같게 되고, 작으면 문맥 교환 (Context Switching) 잦아져서 오버헤드 증가
• SRTF 스케줄링(Shortest Remaining-Time First Scheduling)
• RM 스케줄링(Rate Monotonic Scheduling)

• EDF 스케줄링(Earliest Deadline First Scheduling)

• MultiLevel Queue(다단계 큐)
  • 작업들을 여러 종류의 그룹으로 나누어 여러개의 큐를 이용
  • 우선 순위가 낮은 큐들이 실행 못하는 걸 방지하고자 각 큐마다 다른 Time Quantum을 설정 해주는 방식 사용
  • 우선 순위가 높은 큐는 작은 Time Quantum 할당. 낮은 큐는 큰 거에 할당
• MultiLevel-Feedback-Queue(다단계 피드백 큐)
  • 다단계 큐에서 자신의 Time Quantum을 다 채운 프로세스는 밑으로 내려가고 그렇지 않으면 그대로
    • Time Quantum을 다 채운 프로세스는 CPU burst 프로세스로 판단하기 때문
  • 짧은 작업에 유리, 입출력 위주(Interrupt)가 잦은 작업에 우선권을 줌
  • 처리 시간이 짧은 프로세스를 먼저 처리하기 때문에 Turnaround 평균 시간을 줄여줌

💿 인터럽트

프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생할 경우 현재 실행 중인 작업을 즉시 중단하고 발생된 상황에 대한 우선 처리가 필요함을 CPU에게 알리는 것

• 내/외부 인터럽트: CPU 하드웨어 신호에 의해 발생
• 소프트웨어 인터럽트: 명령어의 수행에 의해 발생

외부 인터럽트

입출력 장치, 타아밍 장치, 전원 등 외부적인 요인으로 발생

• 전원이상, 기계착오, 외부신호, 입출력

내부 인터럽트

Trap이라고 부르며, 잘못된 명령이나 데이터를 사용할 때

• 0 나누기, 오버플로우, 명령어를 잘못 사용한 경우(흔히 Exception이라 불리는 것들)

소프트웨어 인터럽트

프로그램 처리 중 명령의 요청에 의해 발생한 것(SVC 인터럽트)

• 사용자가 프로그램을 실행시킬 때 발생
• 소프트웨어 이용 중에 다른 프로세스를 실행시키면 시분할 처리를 위해 자원 할당 동작이 수행됨(이를 위한 Interrupt)

인터럽트 처리

마이크로프로세서는 인터럽트를 감지하면 지금 실행중인 기계어 코드를 중단하고 해당 인터럽트를 위한 처리 프로그램으로 점프하여 해당 일을 수행 한다. 인터럽트 처리를 위한 루틴을 인터럽트 서비스 루틴(ISR, Interrupt Service Routine)이라고 한다.

• 주 프로그램이 실행되다가 인터럽트가 발생했다.
  • 현재 수행중인 프로그램을 멈추고, 상태 레지스터와 PC 등을 스택에 잠시 저장한 뒤에 인터럽트 서비스 루틴으로 간다.(잠시 저장하는 이유는 인터럽트 서비스 루틴이 끝난 뒤 다시 원래 작업으로 돌아와야 하기 때문)
  • 만약 인터럽트 기능이 없다면, 컨트롤러(OS)는 특정한 일을 할 시기를 알기 위해 계속 체크를 해야함(폴링 방식)
• 컨트롤러가 입력을 받아들이는 방법
  • 폴링 방식
    • 대상을 주기적으로 감시하여 상황이 발생하면 해당처리 루틴을 실행해 처리
    • 폴링은 주기적으로 마이크로프로세서가 상태를 파악하기 위해 장치의 레지스터를 읽어야 한다.(장치의 상태를 읽는데 마이크로프로세서의 자원이 낭비)
    • 인터럽트 요청 플래그를 차례로 비교하여 우선순위가 가장 높은 인터럽트 자원을 찾아 이에 맞는 인터럽트서비스 루틴을 수행(하드웨어에 비해 속도 느림)
  • 인터럽트 방식
    • 상대가 마이크로프로세서에게 일을 처리해 달라고 요청하는 수단
      • Daisy Chain
      • 병렬 우선순위 부여
• 인터럽트 방식은 하드웨어로 지원을 받아야 하는 제약이 있지만 폴링에 비해 신속하게 대응하는 것이 가능하다
• 즉 인터럽트는 발생시기를 예측하기 힘든 경우에 컨트롤러가 가장 빠르게 대응할 수 있는 방법이다.