프로세스 (상태, 문맥교환, 구조, 스레드, 스케쥴링)

 

 

프로세스의 작업과정 Outline            

1.  OS는 코드와 데이터를 메모리에 로드
2.  프로세스 제어 블록(PCB)을 생성
3.  작업에 필요한 메모리 영역을 확보한 후
4.  준비된 프로세스를 준비 큐에 삽입
5.  프로세스 생성 뒤 CPU 스케줄러는 프로세스가 할 일을 CPU에 전달
6.  실제 작업은 CPU가 수행

 

 

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프로그램의 개념            

컴퓨터 시스템이 동작할 떄 하드웨어에서는 다음 순서가 반복된다

1. 입력장치 혹은 네트워크 어댑터를 통해 컴퓨터에 무언가 처리 요청이 들어옴

2. 메모리에 있는 명령을 읽어 CPU에서 실행하고 그 결괏값을 다시 메모리의 다른 영역에 기록함

3. 메모리의 데이터를 하드디스크나 SSD등의 저장 장치에 기록 또는 네트워크를 통해 
다른 컴퓨터에 전송하거나 디스플레이 등의 출력 장치를 통해 사람에게 결괏값을 보여줌

4. 1번부터 반복해서 실행

이러한 순서를 반복해서 사용자에게 필요한 하나의 처리(기능)로 정리한 것을 프로그램이라고 한다
ㄴ애플리케이션, 미들웨어(웹서버, 데이터베이스 등), OS 등

 

 

프로세스의 개념              

• 프로그램은 저장장치에 저장되어 있는 실행 코드를 의미
• 대부분의 OS는 여러 개의 프로세스를 동시에 실행할 수 있음
• 프로세스는 프로그램을 구동하여 프로그램 자체와 프로그램의 상태가 메모리 상에서 실행되는 작업 단위
• 프로그램이 프로세스가 되려면 메모리에 올라오는 것과 동시에 프로세스 제어 블록(PCB)가 생성되어야 함

 

 

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PCB(Process Control Block)        

✔ 프로세스 = 프로그램 + PCB (프로세스 제어 블록)
> 어떤 프로그램이 프로세스가 되었다는 것은 OS로부터 PCB를 받았다는 의미

✔ 프로그램 = 프로세스 - PCB (프로세스 제어 블록)
> 어떤 프로세스가 종료된다는 것은 해당 PCB가 페기된다는 의미

 

• 일반적으로 OS 프로세스의 PCB를 레디 큐(ready queue)에 올려 프로세스 스케쥴링을 관리한다
  
  
• PCB(프로세스 제어 블록)는 하나의 프로세스에 대한 모든 정보가 저장된 데이터 구조체로,
  운영체제가 프로세스를 구분하고, 실행 상태를 추적하고, 제어하는데 사용된다.
  • 각 블록은 프로세스 상태, 프로그램 카운터, 스택 포인터, 파일의 상태, 스케쥴링 알고리즘 정보 등을 포함
  • 이 모든 정보는 프로세스가 한 상태에서 다른 상태로 전환될 때 저장되어야 함

• 프로세스가 한 상태에서 다른 상태로 전환될 때 운영체제가 프로세스의 PCB에서 정보를 업데이트하는 방식

 

 

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프로세스의 상태       

멀티태스킹 컴퓨터 시스템에서의 프로세스 상태는 CPU를 얻어 실행중인 프로세스가 중간에 다른 프로세스에 CPU를 넘겨주는 일이 빈번히 발생한다. 프로세스는 언제나 생성, 준비, 실행, 대기, 종료 중 한 가지 상태에 놓이며, 생성되서 종료될 때 까지의 하나의 라이프사이클을 지니게 된다. 위 그림은 5가지 상태로 프로세스의 라이프사이클을 정의한다.

이미지출처: https://kosaf04pyh.tistory.com/

 

프로세스의 상태

Process
상태명	상태	description
new ( create state )	프로세스 생성 중	✔ 프로세스가 메인 메모리에 올라와 실행 준비를 완료한 상태 ✔ PCB가 커널 공간에 생성됨
ready (ready state)	프로세스가 CPU를 기다리는 중	✔ 생성된 프로세스가 CPU 자원 할당을 기다리는 상태 ✔ 일반적으로 우선순위가 높은 프로세스가 먼저 할당 받음
running (running state)	프로세스가 실행 중	✔ 프로세스가 CPU 자원을 할당받아 작업을 수행중인 상태 ✔ 일정 시간 동안 CPU를 사용할 권리[각주:1]를 가지게 된다 ✔ 주어진 시간을 다 사용하고도 작업이 끝나지 않았다면 ready state로 돌아와 다음 차례를 기다린다 ✔ 프로세스는 ready와 running state를 왔다 갔다 하게 됨
terminated (exit state)	프로세스의 실행 종료	✔ PCB가 사라진 상태를 의미
blocked (waiting state)	프로세스 대기	✔ running 상태의 프로세스가 주어진 시간을 다 쓰기 전에 입출력(I/O) 작업이 필요하거나, 어떤 이벤트가 생겼을 경우 해당 이벤트가 처리될 때 까지 사용하고 있던 CPU를 반납하고 입출력장치별로 마련된 디바이스큐에 가서 줄을 서고 기다린다.  ✔ 즉, 디바이스 큐에 속한 프로세스는 언제나 blocked 상태이다 ✔ 입출력이 완료되면 디바이스 컨트롤러가 CPU에 인터럽트를 발생시키고, 대기 상태에 있는 여러 프로세스 중 해당 인터럽트로 깨어날 프로세스를 찾는다[각주:2] ✔ 이후 해당 프로세스는 blocked > ready로 상태가 전이되며, 디바이스큐에서 나와 레디 큐로 들어가고 이전까지 한 일이 메모리에 올라가게 된다.

 

※ blocked와 suspended의 차이

blocked: 대기 상태가 끝나면 다시 ready 상태로 돌아옴
suspended: 정지(suspended a.k.a 집행유예) 상태가 끝나면 누군가 재개시켜줘야 다시 ready 상태로 돌아올 수 있음

 

• Blocked Status의 세분화
  • REPLY-Blocked
  • RECEIVE-Blocked
  • MUTEX-Blocked
  • INTERRUPT-Blocked
  • NANOSLEEP-Blocked

 

※  인터럽트와 폴링(Difference Between Interrupt and Polling in OS)^[각주:3]

 

인터럽트(Interrupt)와 폴링(Polling)은 CPU가 프로세스를 실행하는 동안 다른 장치들에 의해 생성되는 이벤트를 처리하는 두 가지 방식이다. 인터럽트 및 폴링을 통해 CPU는 현재 수행 중인 작업을 중지하고, 더 중요한 작업에 응답할 수 있다.

인터럽트와 폴링은 비교할 수 있는 다양한 기준이 있다. 기본적인 비교 포인트는, 인터럽트는 디바이스가 서비스가 필요할 때만 CPU에게 Notify를 보내 CPU가 필요하다고 알리지만, 폴링은 CPU가 주기적으로 디바이스를 확인해 CPU를 필요로하는지 체크한다.  이에 따라 인터럽트는 하드웨어의 매커니즘, 폴링은 프로토콜로 구분할 수 있다.

인터럽트는 디바이스의 요청이 있을 때만 발생하므로 CPU 사이클을 절약할 수 있다. 하지만, 인터럽트는 언제나 발생할 수 있으므로 디바이스가 반복적으로 CPU를 인터럽트 하는 상황에서는 효율이 떨어진다.

폴링은 일정한 간격으로 디바이스를 체크하기 때문에 서비스를 요청하는 디바이스가 많은 상태일 때 유리할 수 있다. 하지만, 반대의 경우 CPU 사이클을 낭비한다. 

 

 

✔ 인터럽트: 알림음이 울리면 카톡을 확인함
✔ 폴링: 카톡이 오는지 안오는지 일정 주기로 핸드폰 봄

 

 

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문맥 교환 ( Context Switching )  

문맥교환이 발생하게 되는 경우는 매우 다양하다.
일반적으로 타임아웃일 때 발생, 인터럽트가 걸렸을 때도 발생, 시스템 콜에서도 발생할 수 있다.

 

문맥교환의 개념

• CPU를 차지하던 프로세스가 나가고 새로운 프로세스를 받아들이는 작업(두 프로세스의 PCB를 교환하는 작업)
• 실행상태에서 나가는 PCB는 지금까지의 작업 내용을 저장 ( "다음에 여기서부터 실행하세요!" )
• 실행상태로 들어오는 PCB의 내용으로 CPU가 다시 세팅

 

스위칭 케이스(Switching Cases)

• 멀티태스킹(Multitasking)
  • 실행상태에 있는 프로세스 P1이 타임아웃되면 P1-PCB에 현재까지의 작업 결과가 저장되고, ready 상태로 쫓겨남. 그리고 ready 상태에 있던 프로세스 P2가 실행상태로 가면 CPU 레지스터가 P2-PCB 값으로 채워져 다음 작업을 하게 됨
• 인터럽트 핸들링(Interrupt Handling)
  • 하나의 테스크가 I/O에 의한 인터럽트 등으로 인해 CPU를 반납하는 것
• 유저모드-커널모드 스위칭(User and Kernel mode switching)

 

• System Call 요청 시 유저 어플리케이션은 유저모드에서 커널모드로 잠시 전환되었다가, 커널모드에서 요청 작업을 처리한 뒤 응답을 유저 어플리케이션에 반환하면서 다시 유저모드로 되돌아가게 됨

 

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프로세스의 구조           

※ 프로세스의 구조?

• 프로세스는 코드 영역, 데이터 영역(일반 데이터영역 / 힙 영역), 스택 영역으로 구성
  
  
• 예를 들어 포토샵이란 프로그램을 실행하면(프로세스)
  1. 프로그램은 코드영역에 탑재 된다 = 프로그램의 본문이 기술된 곳(a.k.a text area) = 읽기 전용
  2. 편집 중인 이미지는 데이터 영역에 탑재된다 = 코드가 실행되면서 사용되는 변수, 파일 등의 각종 데이터 = 읽기 쓰기 가능
  3. 운영체제가 포토샵을 작동하기 위해 사용하는 각종 부가 데이터는 스택 영역에서 관리 (* 나중에 더 알아보기 ) = 숨김
• ex. 프로세스 내에서 function call 시, function 수행 후 원래 프로그램으로 돌아올 위치를 이 영역에 저장
• 운영체제가 사용자의 프로세스를 작동하기 위해 유지하는 영역이므로 사용자에게는 보이지 않음

 

※ 프로세스의 생성 / 복사 / 전환?

• 프로세스는 프로그램을 실행할 때 새로 생성됨
• 사용자가 프로그램을 실행하면 OS는 프로그램을 메모리로 가져와 코드 영역에 넣고 PCB 생성
• 메모리에 데이터 영역과 스택 영역을 확보한 후 프로세스를 실행
• fork(): 기존 프로세스(Parent)를 복사하여 새로운 프로세스(Child)로 생성하는 시스템 콜
  • 프로세스 생성 속도가 빠르고, 추가 작업 없이 자원 상속 가능
• exec(): 프로세스는 그대로 둔 채 내용만 바꾸는 시스템 콜. 현재의 프로세스가 완전히 다른 프로세스로 전환됨
  • 프로세스 구조체 재활용

+ fork()와 exec() 는 따로 정리

 

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스레드            

⚡ Point: job > task(process) > thread(operation)

 

• 프로세스 생성 뒤 CPU 스케줄러는 프로세스가 할 일을 CPU에 전달한다.
  스레드란, 프로세스 생성 뒤 CPU 스케줄러가 'CPU에 전달하는 일 하나'를 의미한다.
  즉, 프로세스의 코드에 정의된 절차에 따라 CPU에 작업 요청을 하는 실행 단위를 스레드라고 할 수 있다.
  
  
• 프로세스는 여러 개의 스레드로 구성되어 있고, 스레드끼리는 강하게 연결되어 있다.

 

 

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스케줄링           

스케줄링의 개요

• CPU 스케줄링이란 여러 프로세스의 상황을 고려하여
  CPU와 시스템 자원을 어떻게 배정할지 결정하는 것을 의미한다.
  
  
• CPU  스케줄러는 CPU가 사용 가능한 상태일 때면 언제나 레디 큐에서 프로세스를 선택해
  CPU를 할당해야 할 책임이 있으며, CPU 스케줄러(프로세스 스케줄러)는 프로세스가 생성된 후 종료될 때까지
  모든 상태 변화를 조정하는 일을 맡게 된다.
  
  
• CPU 스케줄러는 규모에 따른 관리의 범주를 나누어 스케줄링을 한다

 

규모에 따른 스케줄링의 범주

고수준 스케줄링(High Level Scheduling) : 장기 스케줄링(Long Term Scheduling)

시스템 내의 전체 작업( OS에서 다루는 일의 가장 큰 단위 ) 수를 조절하는 것 어떤 작업이 시스템을 받아들일지 또는 거부할지를 결정 실행 가능한 프로세스의 총 개수가 정해짐

중간 수준 스케줄링(Middle Level Scheduling) : 중간 스케줄링(Intermediate Scheduling)

장기 스케줄링, 단기 스케줄링 사이에 일어나는 스케줄링 중지(suspend)와 활성화(active)로 전체 시스템의 활성홛된 프로세스 수를 조절하여 과부하를 막는다

저수준 스케줄링(Low Level Scheduling) : 단기 스케줄링(Short Term Scheduling)

프로세스 상태에 관한 내용은 대부분 저수준 스케줄링에 해당(대기>준비, 준비>실행 등) 저수준 스케줄링은 대부분 아주 짧은 시간에 일어나기 때문에 단기 스케줄링이라 부름

 

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스케줄링의 목적

• 특정 프로세스에 시스템 자원이 편중되지 않도록 중요도에 따라 우선순위를 공평하고 효율적으로 배정하기 위함
• CPU 스케줄링의 원래 목적은 모든 프로세스가 공평하게 작업하도록 하는 것이지만, 시스템의 안정성과 효율성을 높이기 위해 다른 프로세스보다 먼저 처리해야 하는 프로세스가 늘 존재하기 때문에 CPU 스케줄러는 일정 부분 공평성을 희생한다

※ 시스템에는 다양한 우선순위의 프로세스가 공존하며, 우선순위가 높은 프로세스가 CPU를 더 먼저, 더 오래 차지하게 된다

 

 

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스케줄링 알고리즘의 종류

 

선점형 스케줄링(preemptive scheduling)

• 개요: 프로세스가 스케쥴 될 수 있음(can be scheduled)
  
  
• 현재 프로세스가 running state에서 ready state로 전이되거나, waiting(blocked) state 에서 ready state로 전이될 때 
  
• 제한된 시간 동안 프로세스에 자원이 할당되었다가 없어지고, CPU Burst Time(CPU 명령 실행 시간=작업시간)이 남아 있으면 다시 레디 큐에 배치되어 다음 실행 기회가 있을 때 까지 ready state를 유지함
  
  
• 우선순위가 높은 프로세스가 레디큐에 들어오면, 현재 프로세스가 burst time을 모두 사용할 때 까지 기다리지 않고, 인터럽트를 통해 자원을 할당받을 수 있다. 이러한 방식으로 선점형 스케줄링의 유연성이 보장되지만, 프로세스 간 스위칭 및 레디큐 관리에 의한 오버헤드가 증가된다.
  
  

• 위 그림처럼 P0, P1, P2, P3 프로세스가 존재할 때, 선점형 스케줄링 방식에 의한 배치는 다음과 같다.
  • P2가 도착시간 0에 도착
    • 레디 큐에 다른 프로세스가 없으므로 P2에 CPU가 할당된다
      • P2가 실행되는 동안, P3가 도착시간 1에 도착한다. 이 시점에서 P2에게 남은 burst time=5밀리초 이며, P3의 burst time(4밀리초)은 P2보다 짧기 때문에 CPU는 P3에 CPU를 할당한다
        • P3가 실행되는 동안 P1이 도착시간 2에 도착한다. 이 시점에서 P3에게 남은 burst time은 3이며 P1의 burst time(4밀리초)보다 짧고, 여전히 P2의 burst time(5밀리초)보다도 짧기 때문에 P3가 계속 실행된다
          • P3가 계속 실행되는 동안 P0가 도착시간 3에 도착한다. 이 시점에서 P3 burst time=2과 P0 burst time=2로 동일한데, 이 때에는 P3가 작업을 지속한다.
            • P3 terminate 이후엔 burst time이 가장 짧은 P0이 자원을 할당 받고, 이후 P1, P2의 순서대로 할당받게 되는 것이다.

 

비선점형 스케줄링(non-preemptive scheduling)

• 개요: 프로세스가 스케쥴 될 수 없음(can not be scheduled)
  ※지금은 거의 사용되지 않는다
  
  
• 현재 프로세스가 terminate 되거나 running state에서
  waiting(blocked) state로 전이될 때 자원을 할당받을 수 있음
  
  

• 비선점형 스케줄링의 가장 큰 특징은 앞선 프로세스의 Burst Time이 모두 소진되어
  terminate 되거나 waiting(blocked) state가 될 때 까지 다른 프로세스들이 스케줄링 되지 않는다는 것이다.

 

Comparision Chart
Basis	Preemptive	Non-Preemptive
기본	한정된 시간동안 프로세스에 CPU 할당	일단 자원이 할당되고 나면 작업이 끝날 때 까지 (또는 blocked 상태가 될 때까지) CPU 놓지 않음
인터럽트	실행 상태에 있는 프로세스에 인터럽트 가능	실행 상태에 있는 작업이 완료 또는 blocked 되기 전까지 다른 작업 불가
Starvation	우선순위가 높은 프로세스가 레디큐에 들어오는 빈도가 높아지면, 우선순위가 낮은 프로세스는 계속 자원을 할당받지 못할 수 있음( 배고픔! )	burst time이 긴 프로세스가 CPU를 사용중이면, 상대적으로 busrt time 이 짧은 프로세스가 자원을 할당받지 못할 수 있음 ( 배고픔! )
오버헤드	문맥 교환의 오버헤드가 많음	X (단, 기다리는 프로세스가 많아 처리율 떨어짐)
유연성	O	X
중요도	높음	낮음
사용	시분할 방식 스케줄러에 사용됨	일괄 작업 방식 스케줄러에 사용됨

 

라운드 로빈(Round Robin, RR) 

• 라운드 로빈 스케줄링은 프로세스가 할당받은 시간(타임 슬라이스) 동안 작업을 하다가 작업을 완료하지 못하면 레디 큐의 맨 뒤로 가서 자기 차례를 기다리는 방식이다. 우선순위가 적용되지 않은 가장 단순한 선점형 스케줄링 방식이다. 각 프로세스의 총 대기 시간을 합해 프로세스의 수로 나누면 평균 대기 시간을 구할 수 있다. 

 

우선순위 스케줄링(Priority Scheduling)

• 우선순위 스케줄링은 선점형 방식과 비선점형 방식에 모두 적용할 수 있다. 레디 큐에 있는 프로세스의 순서를 무시하고 우선순위가 높은 프로세스에 먼저 CPU를 할당한다. 우선순위를 매번 바꾸는 과정에서 오버헤드가 발생하여 시스템의 효율성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 그럼에도 불구하고 프로세스의 우선순위는 시스템의 효율성이 아니라 프로세스의 중요도를 기준으로 결정된다. 

 

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읽어볼만한 자료       

 

작업의 크기

⚡ job > task(process) > thread(operation)

작업의 크기를 상대적인 크기 순으로 나열하면 job > task > operation이고,
이를 프로세스와 스레드의 관계에 대입하면 job > task(process) > thread(operation)이 된다.
여러 개의 스레드가 모여 프로세스를 이루고, 여러 개의 프로세스가 모여 job이 되며, 여러 개의 프로세스를 모아서 한꺼번에 처리하는 방법을 batch job(일괄 작업) 이라고 한다.

 

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1. 타임슬라이스, 타임퀀텀: 프로세스에 배당된 작업 시간.새로운 프로세스가 running state로 들어오면, CPU는 일정 시간(타임 슬라이스)이 흐른 뒤 알려달라고 클록에 요청한다. 프로세스가 CPU를 계속 독점해서 사용하지 못하게 하기 위해 알람을 맞추어 놓는 것과 같은 원리. 일정 시간이 다 되면 클록은 인터럽트를 사용하여 CPU에 알려준다. 위 그림에서 Running -> Ready로의 상태 변화시 "Timer Interrupt ( =타임아웃, 인터럽트 )" 라고 되어있는 부분은 정확히 표현하면 클록으로부터의 인터럽트를 의미한다. [본문으로]
2. Wakeup(PID) [본문으로]
3. https://techdifferences.com/difference-between-interrupt-and-polling-in-os.html [본문으로]