2021.08.14~ing

프로그램의 실행 (메모리 load)

  • 프로세스 : 파일시스템(file system)에 있는 프로그램(실행파일)을 실행 시키면 파일시스템에 있는 프로그램을 실행 시키면 그 프로그램만의 독자적인 어드레스스페이스 주소 공간이 생기게 됩니다. 그거를 virtual 메모리라고 한다 각각에 프로그램들은 자신들만에 주소가 0번지부터 존재하게 됩니다 당장 필요한 부분은 물리적 메모리에 올라가게 됨 그렇지 않은 부분은 스왑에 저장 일부 code는 파일시스템 실행파일 형태로 존재하게 됨

  • 커널도 하나의 프로그램이므로 함수구조로 code, data, stack으로 구성

가상 메모리(virtual memory)의 구성

  • 코드(code)
    • 실행파일에 있던 코드가 올라오는 부분
    • cpu가 처리할 기계어들이 위치하는 부분
    • 프로그래밍 언어로 작성한 코드가 컴파일후 만들어진 기계어 코드가 위치하는 부분
  • 데이터(data)
    • 메모리 데이터 부분
    • 배열, 전역변수, 프로그램이 시작해서 종료까지 남아있는 데이터가 위치
  • 스택(stack)
    • 함수 안에 지역변수
    • 함수의 호출과 리턴과 관련된 정보들

커널 주소 공간의 내용

  • code
    • 시스템안에 자원을 효율적으로 관리하는 코드
    • 사용자에게 편리한 인터페이스 제공하는 코드
    • 인터럽트, 시스템콜 처리 코드
  • data
    • 모든 하드웨어 자원을 관리하기 위한 자료구조
    • 현재 실행중인 모든 프로세스들을 관리하기 위한 자료구조 -> PCB
  • stack
    • 각 프로세스마다 별도로 운용
      • 사용자 프로그램 스택과의 차이점

사용자 프로그램이 사용하는 함수

프로그램 안에 있는 함수

운영체제 안에 있는 함수

프로그램의 실행

프로세스(process)의 개념

  • 프로세스 = 실행중인 프로그램

프로세스의 문맥(context)

  • 현 시점 기준으로 프로세스의 현재상태를 나타내는 개념
  • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
    • Program Counter
    • 각종 register
  • 프로세스의 주소 공간
    • code, data, stack
  • 프로세스 관련 커널 자료 구조
    • PCB(Process Control Block)
    • Kernel stack

각 프로세스마다 pcb 존재

프로세스의 상태 (process state)

  • 프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행

  • Ready : CPU를 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
  • Running : CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
  • Blocked (wait, sleep)
    • CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
    • Process 자신이 요청한 event(ex. I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
    • ex) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
    • 자신이 요청한 event가 만족되면 ready
  • Suspended (stopped)
    • 중기 스케줄러에 의해 쫒겨난 상태
      • ex) OS가 메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있어 쫒아내는 경우
    • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 중지된 상태
      • ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (break key)
      • 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킨 경우
    • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out
    • 외부에서 resume해 주어야 active
  • New : 프로세스가 생성중인 상태
  • Terminated : 프로세스가 종료중인 상태

PCB(Process Control Block)

  • 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보

PCB 구성 요소(구조체로 유지)

  • (1) OS가 관리상 사용하는 정보
    • Process state, Process ID
    • scheduling information, priority
  • (2) CPU 수행 관련 하드웨어 값
    • Program counter, registers
  • (3) 메모리 관련
    • Code, data, stack의 위치 정보
  • (4) 파일 관련
    • Open file descriptors…

문맥 교환 (Context Switch)

  • CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정
  • CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행
    • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
    • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴
  • cpu를 뺏앗기는 프로세스의 문맥을 저장하고 cpu을 새로 얻는 프로세스의 문맥을 복원시켜주는 과정 필요 저장(save)과 복원(load)을 커널의 데이터의 pcb에 저장

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 queue
    • I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
  • 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행

프로세스 스케줄링 큐의 모습

이미지 첨부

스케줄러 (Scheduler)

Long-term scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler or memory scheduler)

  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
  • 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어
    • 메모리에 올라간 프로그램들의 수를 제어
  • time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음(무조건 ready)

Short-term scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)

  • 어떤 프로세스를 다음번에 running시킬지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제

Medium-term scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)

  • time sharing system에서는 장기 스케줄러가 없기 때문에 중기 스케줄러 사용
    • 장기 스케줄러가 없어서 시작 프로그램이 다 메모리에 들어오게 됨
  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫒아냄
    • 일단 메모리 공간을 주고 부족해서 시스템성능 떨어지면 프로세스 몇 개를 골라 쫒아냄
  • 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어한다.

쓰레드(Thread)

  • 프로세스 내부에서 CPU 수행 단위
    • 가벼운 프로세스(lightweight process)라고도 함
  • Thread가 동료 thread와 공유하는 부분(=task)
    • code section
    • data section
    • OS resources

쓰레드의 장점

프로세스 생성 (Process Creation)

  • 부모 프로세스(Parent process)가 자식 프로세스(Children process) 생성
    • 부모 프로세스가 직접 만들지 못하기 때문에 OS에 fork() 시스템콜 해서 부모 프로세스를 복제해서 자식 프로세스를 만듬
  • 프로세스의 트리(계층 구조)형성
  • 프로세스는 자원을 필요로 함
    • 운영체제로부터 받음
    • 부모와 공유함
  • 자원의 공유
    • 부모와 자식이 자원을 공유하는 모델
    • 일부를 공유하는 모델
    • 전혀 공유하지 않는 모델
  • 수행 (Execution)
    • 부모와 자식은 공존하며 수행하는 모델
    • 자식이 종료(terminate)될 때까지 부모가 기다리는(wait) 모델
  • 주소 공간 (Address space)
    • 자식은 부모의 공간을 복사함 (binary and OS data)
    • 자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올림
  • 유닉스의 예
    • fork() 시스템 콜이 새로운 프로세스를 생성
      • 부모를 그대로 복사 (OS data except PID + binary)
      • 주소 공간 할당
    • fork 다음에 이어지는 exec() 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램을 메모리에 올림

fork는 복제 생성

exec은 완전 새로운 프로그램을 덮어씌우는 것

프로세스 종료 (Process Termination)

  • 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려줌 (exit)
    • 자식이 부모에게 output data를 보냄 (via wait)
    • 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨
  • 부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킴 (abort)
    • 자식이 할당 자원의 한계치를 넘어선 경우
    • 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않은 경우
    • 부모가 종료(exit)하는 경우
      • 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지 않음
      • 자식 프로세스부터 단계적으로 종료됨

fork() 시스템 콜

  • OS에 자식 프로세스를 생성 요청보내는 함수
  • fork() 시스템 콜 결과 값(return value)으로 부모와 자식 프로세스 구별
    • 부모 프로세스 : pid > 0 (양수)
    • 자식 프로세스 : pid = 0

exec() 시스템 콜

  • 새로운 프로그램으로 덮어 씌우는 시스템 콜

reference

운영체제 - 이화여자대학교

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