[OS] Processes

Process

Process -> program in execution 실행중인 프로그램을 의미한다.

 

process의 상태는 Program counter와 contents of processor's registers 에 의해 확인된다.

 

 

process memory layout

text section : 실행가능한 코드

data section : 전역변수

heap section : 런타임동안 동적으로 할당된 메모리

stack section : 함수 호출시의 임시 데이터 저장

 

text, data section의 사이즈는 고정되어있다. 

하지만 stack, heap section의 사이즈는 프로그램 실행중 계속 늘어날 수 있다.

stack section의 경우 함수 인자, 지역변수, ret address가 stack에 push되고, 함수에서의 제어가 끝난 후에 다시 pop된다.

heap도 마찬가지로 런타임 시에 동적으로 메모리가 할당되고, 해제된다.

 

OS에서는 서로를 향해서 자라나는 stack, heap이 서로를 overlap 하지 않도록 하는 것이 중요하다.

 

c 프로그램에서의 memory layout

 

Process state

대략적인 프로세스의 상태이다.

하나의 processor core에 하나의 process만 running상태가 될 수 있다는 것을 알아야 한다.

 

Process Control Block

각각의 프로세스는 OS 에서 PCB를 통해 나타내진다. (운영체제에서 process의 정보를 나타내기 위한 자료구조. 별도저장)

각 프로세스가 생성될때 PCB가 생성되고, 종료시 제거된다.

 

현재 프로세스의 상태, 프로세스에서 다음에 실행할 명령어의 주소, CPU registers 등등에 관한 정보가 포함된다.

 

Process Scheduling

multiprogramming의 목적은 maximize CPU utilization이고, time sharing의 목적은 CPU core를 여러 프로세스간 빠르게 교체할 수있도록 하여 상호작용 하도록 하는것이다.

I/O bound, CPU bound process에 따라 이를 잘 scheduling 해야한다.

 

Scheduling Queues

프로세스가 시스템에 처음 들어가면, Ready Queue에 들어가게 된다.

CPU core에서 실행중인 프로세스가 여러가지 이유로 대기상황에 들어가게 되면 Wait Queue에 들어간다.

 

 

Context Switch

Interrupt가 발생하게 된다면, CPU core에서 현재 작업중인 내용이 바뀌고 kernel routine을 실행한다. 그 경우, 이전 작업내용을 다시 실행하기 위해 이전 작업의 실행정보, 즉 PCB를 저장하고 다른 PCB를 가져와 실행하는 과정을 거쳐야한다.

이러한 일련의 과정이 Context Switch이다.

Context Switch overhead는 상황에 따라 매우 다르고, 주로 hardware와 관련있다.

 

 

Process Creation

프로세스는 정수형의 pid로 구분되고, 자식 프로세스와 부모 프로세스로 되어있다.

UNIX에서는 init process가 pid 1인 root process가 되고, LINUX에서는 systemd가 root process가 된다.

 

프로세스가 다른 프로세스를 생성할때, 부모 프로세스는

1. 자식과 함께 동시에 실행될 수 있다

2. 자식이 제거될때까지 기다린다

그리고 자식 프로세스는

1. 부모 프로세스의 복제본이 될 수 있다. 

2. 완전히 새로운 프로그램을 가지고 온다

 

C에서 fork()를 통해 자식 프로세스를 생성하면, 똑같은 내용을 가지고 fork() 이후 시점부터 실행되는 자식프로세스를 생성한다.

그리고 그 fork()이후에 pid에 저장된 값이 0이면 자식, 0보다 크면 부모로 인지한다.

만약 exec()를 사용하게 된다면, 해당 프로세스의 메모리 공간이 exec()에 해당하는 새로운 프로세스로 완전히 덮어씌워진다. 그러므로 exec()다음 구문은 실행되지 않는다.

 

Process Termination

Process는 exit()을 통해 일을 마치고 종료된다. 이를 통해 할당된 메모리가 해제되고, 부모 프로세스가 status value를 return 받도록 한다.

 

부모 프로세스는 자식 프로세스를 종료하기 위해서 identities를 가지고 있어야 한다.

부모프로세스와 자식 프로세스 간의 wait()가 올바르게 쓰여지지 않을 경우 zombie, orphan이 생길 수 있다.

 

IPC

여러 프로세스간의 데이터를 공유하기 위해서는 크게 Shared memory, Message-passing System으로 나뉜다.

 

Shared Memory

다른 프로세스는 다른 메모리 공간을 가지게 되는데, 데이터를 공유할 수 있는 공간을 만들어 주는 것 이다.

Producer-Consumer와 같은 공유자원 관련 문제를 해결해야한다.

 

Message-passing System

message-queue를 통해 데이터를 전달하는 방식이다.

 

Synchronize

Sender와 Receiver 간의 동기화 문제가 쟁점이 된다.

 

blocking send : 수신자가 메시지를 받을 때 까지 sender가 blocked된다.

Nonblocking send : 메시지를 보내고, 다음 행동을 한다.

blocking receive : 메시지가 수신될 때 까지 blocked된다.

Nonblocking receive : message를 가져오던가, null을 가져오고 다음 행동을 한다.

 

Buffering

메시지는 임시적인 버퍼에 들어간다. 그리고 이 버퍼(큐)는 다음과 같이 구현된다.

 

Zero capacity : queue의 사이즈가 0이라, 메세지는 대기할 수 없다. 그러므로 sender는 receiver가 메세지를 받을때 까지 무조건 block되어야 한다.

 

Bounded capacity : 특정 N만큼에 사이즈가 queue에 할당 된 경우, 사이즈가 가득 차게 된다면 sender가 block되어야 한다.

 

Unbounded capacity : queue의 사이즈가 정해져 있지 않다. 그러므로 sender는 block될 필요가 없다.