[운영체제] 프로세스 (1) | Process State, Context Switch, Scheduler

프로세스의 개념

⇒ 실행 중인 프로그램

 

프로세스의 구성

: 프로그램 코드(text section), 프로그램 카운터, 프로세서 레지스터

 

• Stack: 데이터를 일시적으로 저장하는 영역
• Data section: 프로그램의 가상 주소 공간
• Heap: 코드 영역과는 별도로 유지되는 자유 영역
• Code: 실행 명령을 포함하는 메모리이거나 목적 파일에 있는 프로그램 영역
• 프로세스의 문맥(context)
  • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
    • Program Counter
    • 각종 register
  • 프로세스의 주소 공간
    • code, data, stack
  • 프로세스 관련 커널 자료구조
    • PCB
    • Kernel stack

프로세스의 상태 (Process State)

• 프로세스는 상태(state)가 변경되며 실행된다.

1. Running
   1. CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태
2. Ready
   1. CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
3. Blocked(wait, sleep)
   1. CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
   2. Process 자신이 요청한 event(ex. I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
   3. 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
   ex) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
4. Suspended (stopped)
   1. 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
   2. 프로세스는 통째로 디스크에 swap out된다.
   ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (break key)
   시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴
   (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
5. New
   1. 프로세스가 생성 중인 상태
6. Terminated
   1. 수행(execution)이 끝난 상태

프로세스의 상태도

Process Control Block(PCB): task control block

• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스 당 유지하는 정보
• 각 process는 OS에서 PCB에 의해 표현

• 다음의 구성 요소를 가진다. (구조체로 유지)
  1. OS가 관리상 사용하는 정보
     1. Process state, Process ID
     2. scheduling information, priority
        1. scheduling information: priorites, scheduling queue pointers
  2. CPU 수행 관련 하드웨어 값
     1. Program counter, registers
        1. program counter: location of instruction to next execute
        2. CPU registers: contents of all process - centric registers
  3. 메모리 관련
     1. Code, data, stack의 위치 정보
  4. 파일 관련
     1. Open file descriptors

문맥 교환(Context Switch)

: Switching of execution information

• CPU를 한 프로세스(or 스레드) 에서 다른 프로세스(or 스레드)로 넘겨주는 과정
• 하나의 작업 (or 프로세스)에서 다른 작업 (or 프로세스)로 변경하기 위해 컴퓨터의 CPU가 따르는 작업이 충돌하지 않도록 하는 절차
• CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행
  • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
  • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

• System call 이나 interrupt 발생 시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님

(1)의 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save해야 하지만 문맥교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 큼 (ex. cache memory flush)

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• Job Queue
  • 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready queue
  • 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queues
  • I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
• 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

스케줄러

• Long-term scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
  • 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어
  • time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음 (무조건 ready)
• Short-term scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)
  • 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • 충분히 빨라야함 (millisecond 단위)
• Medium-Term scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)
  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어