[운영체제] Processes (공룡책 스터디 정리)

본 포스팅은 인프런 공룡책 강의를 기반으로 한 스터디 개인 정리를 위한 포스팅입니다.
잘못된 부분이 있다면 언제든 지적해주시면 감사하겠습니다!

Process 란?

• 프로그램 : 해당 프로그램이 하드디스크에 존재할 때를 의미
• 프로세스 : 해당 프로그램이 실행되어 메인메모리로 올라오게 되면, 그 프로그램을 프로세스라고 부름.

Process 메모리 구조

• Code 영역
  • 실행할 프로그램의 코드가 저장됩니다. CPU는 이 영역에서 명령어를 하나씩 가져와 처리하게 됩니다.
• Data 영역
  • 전역변수와 정적변수가 저장됩니다. 이 변수들은 프로그램이 시작될 때 할당되어 프로그램 종료 시 소멸됩니다.
• Stack 영역
  • 지연변수, 매개변수, 리턴값 등 잠시 사용되었다가 사라지는 데이터를 저장하는 영역입니다.
• Heap 영역
  • 동적 데이터 영역입니다. 메모리 주소 값에 의해서만 참조되고 사용되는 영역입니다. 따라서, 프로그램 동작 시(런타임)에 크기가 결정됩니다.

프로세스 생명주기(라이프사이클)

1. New : 프로세스 탄생(생성된) 시점. 실행하는 것은 불가능
2. Running : CPU가 실제로 프로세스를 수행하고 있는 상태
3. Wating : 프로세스 도중에 I/O작업이 필요하여 해당 작업을 수행하는 상태. 이 때 CPU는 I/O를 기다리며, 다른 프로세스를 수행한다. 해당 상태가 끝나면 프로세스는 다시 Ready → Running 상태가 됨.
4. Ready : 변수 초기화 등 기초 준비작업을 모두 끝나고 실행을 할 수 있는 상태.
5. Terminated : 최종적으로 프로세스가 종료된 상태. 사용하던 메모리 영역 또한 해제됨.

프로세스 라이프 사이클

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PCB(Process Control Block)

• TCB(Task Control Block)이라고 부르기도 함.
• 특정한 프로세스를 관리할 필요가 있는 정보를 포함하는 운영체제 커널의 자료구조.
• 운영체제가 프로세스 스케쥴링을 위해 프로세스에 관한 모든 정보를 가지고 있는 데이터베이스를 PCB라고함.
• 각 프로세스가 생성될 때마다 고유의 PCB가 생성되고, 프로세스가 완료되면 제거됨.
• 해당 PCB를 통해 Wating 및 Ready상태를 반복하면서도 중간까지의 처리하던 작업을 도중부터 실행할 수 있음.
• 들어있는 정보는 아래와 같음.
  • Process ID : 프로세스 식별자
  • Process State : 위 Process State Diagram의 5가지 상태 중 한 개.
  • Program counter : 이 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리키는 계수기
  • CPU registers : IR, DR 등등 Cpu 안에 있는 레지스터 정보들
  • CPU-Scheduling Information : 우선 순위, 최종 실행시각, CPU 점유시간 등
  • Memory-Management Information : 해당 프로세스의 주소공간 등
  • Accounting Information : 페이지 테이블, 스케쥴링 큐 포인터, 소유자, 부모 등
  • I/O State Information : 프로세스에 할당된 입출력 장치 목록, 열린 파일 목록 등

 

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멀티 프로세싱

멀티 프로세싱(Multi-processing)

• 다수의 프로세서(CPU)가 협력적으로 일을 처리하는 것을 의미.
• 장점으로는 하나의 프로세서(CPU)가 고장이 나더라도 해당 프로세서가 진행 중인 작업(Process)은 다른 프로세서에서 수행하고 있기 때문에 작업이 정지되지 않는다.

멀티 프로그래밍(Multi-programming)

• 하나의 프로세서(CPU)가 하나의 프로세스를 수행하는 동안 다른 프로세스에 접근할 수 있도록 하는 방법.

멀티 태스킹(Multi-tasking)

• 다수의 작업(Task)을 운영체제의 스케쥴링에 의해 번갈아 가며 수행되도록 해주는 것을 의미.
• 스케쥴링 방식으로는 멀티 프로그래밍 방식, 시분할 방식, 실시간 시스템 방식을 사용하여 수행된다.

멀티 스레딩(Multi-threading)

• 하나의 프로세스를 다수의 스레드로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 의미.
• 하나의 프로세스가 동시에 여러 개의 스레드를 수행할 수 있도록 해주는 것이다.
• 프로세스를 생성하는 비용보다 스레드를 생성하는 비용이 더 저렴하기 때문에 프로세스에 다수의 스레드를 생성하여 병렬처리하는 것이다.

 

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Process Scheduling

Scheduling Queues:

• Linked List로 구현.
• Ready Queue, Wating Queue 두 개의 큐를 사용.

Context Switch

• 멀티 프로세스 환경에서 CPU가 하나의 프로세스를 실행하고 있는 상태에서 인터럽트 요청에 의해 다음 우선 순위의 프로세스가 실행되어야 할 때 발생.
• 기존의 프로세스 상태 또는 레지스터 값(Context)을 저장하고 CPU가 새로운 프로세스의 Context로 교체하는 작업을 의미.
• Context : CPU가 해당 프로세스를 실행하기 위한 해당 프로세스의 정보들(PCB)

 

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Operations on Processes

Create Process

• 프로세스를 만드는 주체를 Parent Process
• 만들어진 프로세스를 Child Process
• 자식 프로세스를 만드는 작업은 fork(), exec()

fork() vs exec()

• 새로운 프로세스를 위한 메모리를 할당한다.
• 부모의 내용을 그대로 복사하여 새로운 프로세스를 생성한다. | | exec() | - 한 프로세스가 다른 프로세스를 실행시키기 위해 사용된다.
• 새로운 프로세스를 위한 메모리를 할당하지 않고 현재 메모리에 사용된다.
• 부모의 내용을 복사하지 않고 exec()를 호출한 프로세스에 덮어씌어진다. |

• Wait() 함수
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료 상태를 얻기 위해 사용.
  • wait()함수를 사용하여 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다림. ⇒ 자식 프로세스가 완료되면 그제서야 부모 프로세스의 작업을 계속 진행!
• 운영체제가 실행되고 나면 프로세스를 만들 첫번째 프로세스가 필요함.
  • init() 함수를 통해 데몬 프로세스 생성 pid는 항상 1
• 생성되는 프로세스 간의 관계는 하나의 큰 트리 구조로 형성됨.

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• 프로세스를 생성한 후 부모 프로세스는 2가지 행동을 할 수 있음.
  1. 자식 프로세스가 끝날 때까지 기다림.(Waiting Queue)
  2. 자식 프로세스와 함께 동작.(멀티 프로세싱 환경)

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• 자식 프로세스는 다음 중 하나의 프로세스가 됨.
  1. 부모 프로세스와 동일한 새로운 프로세스
     • fork()
     • 부모 프로세스와 같은 로직을 수행하는 경우
  2. 새로운 프로그램 실행
     • exec()
     • 새로운 프로그램을 메모리에 load하고 이를 실행하게 됨.
• 예제코드 및 사진자료

int main()
{
	pid_t pid;
	//fork a child process
	pid = fork();
	if(pid < 0) { // error occurred
		fprintf(stderr, "Fork Failed");
		return 1;
	}
	else if (pid == 0) { //child process
		execlp("/bin/ls", "ls", NULL); //Context Switch
	}
	else { //parent process
		wait(NULL);
		printf("Child Complete");
	}
	return 0;
}

 

프로세스가 종료되는 시점

1. 마지막 return문이 실행되는 시점.
2. System.exit()를 이용한 강제종료.

 

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Zombie vs Orphan Process

• 두 가지의 Case는 주로 데몬 프로세스, 백그라운드 프로세스들을 만들 때 활용.

Zombie Process(좀비 프로세스)

• 부모가 fork()를 통해 자식 프로세스를 생성
  • wait() 없이 return 0를 통해 부모가 종료되면
    • 해당 자식 프로세스는 좀비 프로세스가 됨.
• 즉, 부모 프로세스가 자식 프로세스보다 먼저 종료될 때.
• 혹은 자식 프로세스가 종료되었지만 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료 상태를 회수하지 않았을 경우에도 좀비 프로세스라 칭함.

Orphan Process(고아 프로세스)

• 부모 프로세스가 wait을 호출하지 않고 부모는 부모 프로세스의 일을 하고 있을 때.
• 부모 프로세스가 먼저 종료되면 init 프로세스(pid=1)가 자식 프로세스의 부모가 됨.
• 부모 프로세스가 wait()을 호출하는 대신에 그냥 종료를 해버리는 것.

 

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Chapter3. Processes (Part 3)

Interprocess Communication

Independent(독립적인) vs Cooperating(상호협조적인)

• 프로세스들은 독립적일 수도 있고 상호협조적일 수도 있음.
• Cooperating(상호협조적)한 프로세스들은 공유 data를 포함해 프로세스들끼리 영향을 미침.
  • 정보공유, 속도향상, 모듈화의 목적을 가지고 있음.
  • 상호협조적인 프로세스들 간에 생길 수 있는 문제를 해결할 수 있는 방법이 IPC(Inter-Process Communication)

IPC(Inter-Process Communication)

• IPC에는 2가지 모델이 존재
  • Shared Memory
  • Message Passing

1. Shared Memory 모델

• 이는 공유 메모리이며 독립적인 프로세스들 간의 통신을 위해 공유되는 메모리 영역을 사용합니다.
• 장점으로는 시스템 호출을 생성할 때(공유 메모리 생성)에 1번만 사용하기 때문에 매우 빠르며 효율이 좋습니다.
• 단점으로는 모든 프로세스들이 접근 가능하기 때문에 Race Condition의 문제가 발생할 수 있으므로 동기화 과정이 필요합니다. 이는 세마포어를 이용하여 해결할 수 있습니다.

1. Message Passing 모델

• 같이 쓴다의 개념이아닌 그때 그때 필요한 소스를 프로세스들 간에 파이프 등을 사용하여 전달하는 기법입니다.
• 커널(OS)이 메모리 보호를 위해 대리로 전달해주기 때문에 안전하고 OS가 알아서 동기화처리까지 해주기 때문에 동기화 문제가 없음.
• 동기화를 고려할 필요가 없다는게 장점이지만, pipe생성 및 data복사로 인해 오버헤드가 발생하여 효율이 낮아지는 단점이 존재합니다.
• 위와 관련하여 포스팅 첨부
  • https://infinitecode.tistory.com/7

시스템 V IPC (System V) 2 -Infinite

 

• 프로세스 간 통신을 어떻게 하는지에 대한 방식에 대해 알아볼 수 있었음.
• Shared Memory
  • 약속한 공유 공간에 메모리 write&read를 하는 producer&consumer problem 해결
• Message Passing
  • 세부적인 것에 대해서는 내부 os가 처리
  • 개발자는 send 및 receive를 통해 처리
    • mailbox(port)를 통해 direct하게 보내는 방법
    • mailbox(port)를 통해 indirect하게 보내는 방법
    • SYNCHRONOUS하게 blocking I/O를 하는 방법
    • ASYNCHRONOUS하게 Non-blocking I/O를 하는 방법

Naming

• Direct Communication(직접 통신) : 프로세스간 서로의 이름을 명확히(explicitly) 알고, 직접 통신한다.
  • send(P, Message) : 프로세스 P에게 메시지를 전송
  • receive(Q, Message) : 프로세스 Q로부터 메시지 수신
• Indirect Communication(간접 통신) : 메시지가 mailBox를 통해 송수신 된다.
  • 모든 mailBox 는 고유한 id를 가진다.
  • mailBox를 공유해야지만 프로세스간에 통신할 수 있다.
  • send(A, Message) : mailBox A에게 메시지를 전송
  • receive(A, Message) : mailBox A로부터 메시지 수신

Synchronization

• Blocking : synchronous 하다고 생각 할 수 있다.
  • Blocking send : 메시지를 송신한 프로세스는 수신 측 프로세스가 메시지를 받을 때까지 기다린다.
  • Blocking receive : 수신 측 프로세스는 메시지를 받을 때까지 기다린다.
• Non-Blocking : asynchronous 하다고 생각 할 수 있다.
  • Non-Blocking send : 메시지를 송신한 프로세스는 다시 자기 할 일(operation)을 한다.
  • Non-Blocking receive : 수신 측 프로세스는 valid(유효한) 메시지나 NULL 메시지를 받는다.

 

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Question 정리

1. 프로세스가 Running상태 즉 실행중에 I/O 작업이 들어오면 이 때 프로세스가 Terminated 되기 전까지의 동작과정을 설명해주세요.
2. 멀티 태스킹과 멀티 프로그래밍의 차이
   • ⇒ 멀티 태스킹은 다수의 작업을 운영체제의 스케쥴링에 의해 번갈아가며 수행되도록 해주는 것으로써 이러한 스케쥴링의 방식으로 멀티 프로그래밍을 사용한다.
3. 멀티 프로세싱과 멀티 프로그래밍의 차이
   • ⇒ 프로세서와 프로세스의 차이를 알아야 하며, 멀티 프로세싱의 경우 다수의 프로세서(CPU)를 사용하지만 멀티 프로그래밍은 한 개의 프로세서(CPU)가 작업을 총괄한다.
4. 좀비 프로세스와 고아 프로세스에 대해 설명해주세요.

 

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Refference

https://www.inflearn.com/course/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9C-%EA%B3%B5%EB%A3%A1%EC%B1%85-%EC%A0%84%EA%B3%B5%EA%B0%95%EC%9D%98

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