[Operating System] #1주차 - 프로세스(Process)
👻 프로세스
프로그램을 실행시켜주는 단위를 프로세스(Process)라고 한다. 필요 자원으로는 CPU, Memory, File, I/O Device 등이 있다.
운영체제는 이러한 프로세스를 관리하는 일을 해야하며 프로세스의 메모리는 여러 섹션으로 나뉜다.
- Text : 소스 코드 저장
- Data : 초기화 된 정적, 전역 변수
- BSS : 초기화 되지 않은 정적, 전역 변수
- Heap : 동적 메모리 할당
- Stack : 함수 파라미터, 리턴 주소, 지역 변수 등
-
어떻게 관리할 것인가?
5개의 State(생명 주기, Life Cycle)를 갖고 있다. - New : 프로세스가 막 생성됨
- Running : CPU 점령. 프로세스의 명령어를 호출해 실행
- Waiting : 진행중이지 않은 프로세스의 상태
- 예: I/O 하면 자발적으로 대기상태
- Ready : CPU를 받을 준비 상태
- Terminated : 모든 것을 다 끝내고 종료된 상태
각 상태의 전환 조건을 잘 봐야한다.
- PCB(Process Control Block) or TCB(Task Control Block)
- 이 구조체 안에 프로세스가 가져야 할 모든 정보를 저장한다.
- OS 입장에서 이 PCB를 가지고 프로세스를 컨트롤하게 된다.
- 여러 정보를 담고 있음
- Process State
- Program Counter : 여기에 있는 메모리 주소를 사용하여 명령어를 가져옴
- CPU Registers : IR, DR
- CPU-Scheduling Information
- Memory-Management Information
- Accounting Information
- I/O Status Information
프로세스는 싱글 스레드로 실행되는 게 기본적이다. 이는 한 타임에 하나의 Task만 수항하며 어떠한 프로세스는 여러개의 스레드를 통해 이러한 단점을 보완한다. 이를 스레드(Thread)라 부른다. (프로세스 내부의 처리 단위인 스레드와는 같은 단어지만 다른 의미를 가진다.)
스레드는 LightWeight Process라고도 불린다.
👻 프로세스 스케줄링
- MultiProgramming
- CPU Utilization(사용량)을 최대로 늘리기 위해 멀티 프로그래밍이 지향된다.
- Time Sharing
- CPU Core를 프로세스 간에 자주 스위치하여 유저 입장에선 각 프로그램이 동시에 돌고 있는것처럼 보여지게 하자는 게 Time Sharing의 목적이다.
- 이를 위해서 CPU 스케줄링이 필요하며 스케줄링 큐를 사용하여 구현한다. (연결 리스트로도 구현 가능)
💡 Queueing Diagram
- Context Switch
- 직역하면 문맥 교체
- 프로세스가 사용되고 있는 상태(PCB의 상태)를 Context라고 한다.
- 어떤 Task가 CPU Core를 다른 Task에게 넘겨주는 것
- 현재 프로세스를 저장하고 다른 프로세스를 복원하는 것
👻 프로세스 운영
운영체제는 프로세스의 생성 및 소멸을 제공한다. 또한, 하나의 프로세스가 또 다른 프로세스를 생성할 수 있다. 이렇게 되면 두 프로세스는 부모-자식 관계가 된다. 두 프로세스 간의 상태에 따라 아래와 같은 두 가지 상태로 변할 수 있다.
- 좀비 프로세스(Zombie Process)
- 부모가 있지만 wait 호출을 하지 않고 부모는 부모 일만 하는 프로세스
- 고아 프로세스(Orphan Process)
- 부모가 없는 자식 프로세스
fork(); // 프로세스 생성
exit(); // 프로세스 소멸
fork() 사용 시 자식 프로세스가 생성되며 해당 자식 프로세스의 ID를 리턴한다. 자식 프로세스에겐 0을 리턴한다.
- 사용 예
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
pid_t pid;
pid = fork();
printf("Hello, Process! %d\n", pid);
}
프로세스를 생성하고 wait() 명령어를 사용하면 부모 프로세스는 자식 프로세스가 종료될 때까지 대기상태로 변환된다.
👻 Interprocess Communication
프로세스 간의 통신(IPC)는 두 가지 방식이 있다.
- Independent
- 프로세스 간 독립적으로 움직이며 데이터를 공유하지 않는 방식
- Cooperating
- 프로세스 간 데이터를 공유하는 방식
데이터를 주고 받기 위해서는 IPC 메커니즘이 필요하다.
- Shared Memory
- Message Passing
위 이미지에서 (a)는 Shared Memory, (b)는 Message Passing 방법을 보여준다.
🌱 Shared Memory
이 방법은 버퍼를 이용하는데, 사용할 땐 Producer-Consumer Problem을 고려해야한다.
💡 Producer-Consumer Problem
생산자는 버퍼를 채우고 소비자는 버퍼를 비우는 작업을 수행한다. 버퍼가 가득차면 생산자가 기다린다거나, 반대로도 버퍼가 비었으면 소비자가 기다리는 문제를 말한다.
이 방식은 명시적으로 버퍼를 쓰고 관리하는 것을 Application Programmer(응용 프로그래머)가 직접 설정해줘야한다는 문제가 있다.
🌱 Message Passing
Message Passing은 Shared Memory와 다르게 OS가 알아서 해주기 때문에 명시적으로 설정할 필요가 없다.
send(message); // Message 발신
receive(message) // Message 수신
- Communication Links
- 두 프로세스의 통신 방법
- 구현 방식은 여러개가 있다.
- Comm. Link의 구현 방식
- Direct
- Comm. Link가 자동으로 생성된다.
- 두 개의 프로세스 간에 하나의 링크밖에 존재하지 않는다.
- Indirect
- Ports라는 이름의 메일 박스(Object)를 설정한다.
- 두 개의 프로세스가 하나의 메일 박스를 공유할 때 성립된다.
- 여러개의 프로세스 간에 연결이 가능하다.
- Synchronous
- Blocking Send, Receive
- ASynchronous
- Non-Blocking Send, Receive
- Automatic or Explicit Buffering
🌱 실제 통신
Shared Memory는 POSIX Shared Memory를 사용한다.
💡 POSIX : Portable Operating System Interface (for uniX)
Message Passing은 Pipes를 사용한다.
💡 Network에서 쓰는 파이프를 소켓(Socket)이라고 한다.
- Socket : 소통을 위한 양종단(EndPoints)을 의미.
- 양종단은 IP Address와 Port를 의미한다.
- 서로 다른 환경이라면 RPCs이용
- RPCs : Remote Procedure Calls
- 이는 그 쪽(원격) 컴퓨터에 있는 함수를 사용(호출)하는 것(자바에서 제공)
- Stub, Skeleton 정의, 객체 직렬화 위해 Marshals the Parameters
- Socket Class : Connection-Oriented (TCP)
- DatagramSocket Class : Connectionless (UDP)
- MulticastSocket Class : Multiple Recipients
👻 글을 마치며
이번 시간에는 프로세스에 대해 알아보았다. 강의가 아주 기초적인 개념을 알려주는 것 같아서 개인적으로 조금 더 깊은 공부를 할 수 있도록 시간을 내야할 것 같다. 너무 어려워 ㅠ.ㅠ
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