Week4 : 운영체제 Chapter 3: 프로세스와 쓰레드

1. Week4 : 운영체제Chapter 3: 프로세스와쓰레드 담당교수 : 최 윤 정

2. Contents • 학습목표 • 프로세스와 스레드의 개념을 이해한다. • 프로세스의 상태 변화 과정을 이해한다. • 프로세스의 생성과 종료 등 프로세스와 관련된 작업을 이해한다. • 프로세스와 스레드의 차이를 알고 스레드의 장점을 이해한다. • 내용 • 프로세스 개요 및 관리 • 스레드

3. 1. 프로세스 개요 디스크에 저장되어 있던 실행 가능한 프로그램이 메모리에 적재되어 운영체제의 제어를 받는 상태. • 1960년대 멀틱스시스템(Multics System) 설계자들이 처음 사용. • 이후 , Task 라는 용어와 사용되면서 다양한 정의를 가짐. • 실행중인 프로그램/ 프로시저 • 비동기적(Asynchromous) 행위 • 실행중인프로시저 • 실행중인 프로시저의 제어 추적 • 디스패치가가능한 대상 • ..

4. 디스크에 저장되어 있던 실행 가능한 프로그램이 메모리에 적재되어 운영체제의 제어를 받는 상태?? 해당 프로세스가 사용하고 있는 메모리 영역(자신의 주소 공간)이 존재한다.! - 프로세서 할당(점유) 시간과 메모리, 파일, 입출력장치 등의 자원이 필요하며, 자원은 프로세스 생성 및 실행 시 할당됨. - 현재의 활동 상태를 나타내는 프로그램 카운터와프로세서의 현재 활동(레지스터 내용) 포함. 실행 스택(Stack) : 호출된 프로시저(함수)의 복귀 주소와 지역 변수 등의 일시적인 데이터를 저장하는 영역. 실행 힙(Heap) : 텍스트(코드) 영역과는 별도로 유지되는 자유 영역. 데이터(static 정적 변수) : 프로세스 실행 중 동적으로 할당 받는 영역, 전역 또는 정적 변수 저장. 텍스트(코드) : 프로세서가 실행하는 코드 저장. [그림3-1] 메모리에 존재하는 프로세스 주소 공간 구조

5. 프로세스는 사용자 관점에서 세그먼트(코드, 데이터, 스택 등)의 가상 주소 공간을 갖는 상태를 의미, 시스템 관점에서 실행중인 프로그램을 의미. • 처리 상태에 있는 데이터 구조로 표현 가능하다. • 스케줄러(디스패칭)에 의해 프로세서 할당. • 파일에 관련된 자원에 대한 참조(장치 관리, 메모리 관리) • 프로세스 지원과 협력에 관한 정보(교착상태, 보호, 동기화) 교환 • 프로세스 관련 연산은 생성, 종료, 보류, 자원 할당, 해제 등 사용자 관점에서의 프로세스 시스템 관점에 본 프로세스

6. 프로세스의 종류 : 실행유형에 따라 3가지 • 운영체제 프로세스 • 커널프로세스 또는 시스템 프로세스라 부름. • 프로세스 실행 순서 제어, 사용하고 있는 프로세스가 다른 사용자나 운영체제 영역을 침범하지 못하게 감시하는 기능 담당. • 사용자 프로세스 생성, 입출력 프로세스 등 시스템 운영에 필요한 작업 수행. • 사용자 프로세스 : 사용자 코드 수행. • 병행 프로세스 • 프로세스 여러 개가 동시에 실행되며, 독립 프로세스와 협동 프로세스로 구분. • 1. 독립 프로세스 : • 프로세스 여러 개가 병행하여 수행 시 주어진 초기값에 따라 항상 같은 결과를 보여줌. • 서로 독립적으로 실행되어 다른 프로세스에 영향을 받지 않고, 데이터를 공유하지 않음. • 2. 협동 프로세스 • 다른 프로세스에 영향을 주거나 다른 프로세스에 의해 영향을 받음. • 컴퓨터 시스템의 제한된 자원을 공유하는 프로세스들이 통제되어 상호 작용해야 하는 경우 발생. • 서로 협동해야 하는 경우, 통신을 위한 수단과 동기화 기능이 필요.

7. 프로세스 상태 • 운영체제는 프로세스 실행을 제어하는 역할을 한다. 그런데! • 프로세스가 실행되면서 상태가 변하므로 제어에 필요한 프로세스 상태를 점검해주어야 한다. • 간단 분류 : 실행과 비실행 프로세스 • 운영체제가 프로세스를 생성하면 비실행 상태로 초기화하여 실행을 기다린다. • 실행중인 프로세스가 종료되거나 인터럽트가 발생하면 비실행프로서스 중 선택된 프로세스가 실행상태로 변하고 ( 디스패치) • 인터럽트된 프로세스는 비실행 상태가 된다.

8. 실행 프로세스의 상태 • 대부분의 프로세스는 준비나 대기(보류) 상태이며, 어느 한 순간에 한 프로세스만 실행상태가 됨. 실행 : 명령어가 실행되는 상태, 즉 프로세스가 프로세서를 점유한 상태 대기 또는 보류 : 프로세서가 이벤트(입출력 종료와 같은 외부 신호)가 일어나길 기다리는 상태 준비 : 프로세스가 프로세서를 할당 받기 위해 기다리는 상태

9. 프로세스 상태 변화 • 시스템의 모든 프로세스는,종료되어 시스템을 떠날 때까지 준비,실행, 대기(보류) 상태로 변화되며 실행되는 과정을 반복하고, • 운영체제는 작업스케줄러,프로세서등의 스케줄러를 이용해 프로세스 상태 변화를 관리한다. • 작업 스케줄러 • 스풀러가 디스크에 저장한 작업들 중 실행할 작업을 선정, 준비 리스트에 삽입. • 다중 프로그래밍의 정도를 결정하는 핵심적인 역할 수행. • 선정한 작업에 대한 프로세스의 생성에서 종료까지의 과정 수행을 위해 상태 변화를 일으킴.

10. 준비 프로세스는 디스패처(Dispatcher)가 프로세서를 할당하면 다시 실행상태로 변경. • 실행 프로세스가 자발적으로 프로세서 반환 전 할당된 시간이 경과하면 준비상태로 변경. • 실행 프로세스가 실행하다 입출력 명령이 발생 시 대기 (보류) 상태로 변경. • 대기 프로세스는 보류 이유가 제거되면 준비 상태로 변경.

11. 프로세스 : 준비  실행 • dispatch(프로세스명) : 준비 → 실행 • 준비 리스트 맨 앞에 있는 프로세스(작업)가 프로세서에 할당디스패치! • 다중프로그램 운영체제에서는 실행프로세스가 프로세서를 일정시간만 사용하도록 제한 • 프로세스가 프로세서를 독점하는 것을 방지하도록 시간을 할당한다.

12. 프로세스 : 실행준비, 실행 대기 • timeout(프로세스명) : 실행 → 준비 • block(프로세스명) : 실행 → 대기(보류) wakeup(프로세스명) : 대기(보류) → 준비 • 프로세스가 프로세서를 점유한 상태“프로세스가 실행 상태에 있다” • 운영체제는 프로세스의 독점을 방지하기 위해 인터럽트 클록(Interrupt Clock)을 둠. • 특정 프로세스가 일정 시간이 지나도(타임아웃) 프로세서를 반환하지 않으면 클록(Clock)이 인터럽트를 발생, 운영체제가 프로세서 제어권을 가짐. • 운영체제가 제어권을 가지면 실행 중인 프로세스는 준비 상태로 변화, 준비 리스트의 첫 프로세스가 실행 상태로 변경. • 실행 → 대기(보류) • 실행 프로세스가 입출력 연산 등이 필요하거나 새로운 자원 요청 등의 문제 발생 시 스스로 프로세서를 양도하고 대기 상태로 변경. • 대기(보류) 준비 • 깨움(Wake up) : 대기상태의 원인이 해결되었을 때(예: 입력) 발생

13. 프로세스 상태 : 정리 Dispatch(프로세스명) : 준비  실행 Timeout(프로세스명) : 실행준비 block(프로세스명) : 실행 대기 wakeup(프로세스명) : 대기 준비 프로세스가 스스로 제어할 수 있는 변화는 실행 대기 상태 뿐!! 나머지는 외부 조건에 의해 발생한다. OS는 프로세스 실행을 제어하기 위해 프로세스에 대한 정보를 가지고 있어야 하며, 제어블록이라는 데이터 구조를 가진다.

14. 프로세스 제어블록(PCB, Process Control Block) • 프로세스 식별자: 각 프로세스에 대한 고유 식별자 지정. • 프로세스 상태 : 생성, 준비, 실행, 대기, 중단 등의 상태 표시. • 프로그램 카운터 : 프로그램 실행을 위한 다음 명령의 주소 표시. • 레지스터 저장 영역 : 누산기, 인덱스 레지스터, 범용 레지스터, 조건 코드 등에 관한 정보로 컴퓨터 구조에 따라 수나 형태가 달라짐. • 프로세서 스케줄링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄링 큐에 대한 포인터, 그 외 다른 스케줄 매개변수를 가짐. • 계정 정보 : 프로세서 사용시간, 실제 사용시간, 사용상한시간, 계정 번호, 작업 또는 프로세스 번호 등. • 입출력 상태 정보 : 특별한 입출력 요구 프로세스에 할당된 입출력장치, 개방된(Opened) 파일의 목록 등. • 메모리 관리 정보 : 메모리 영역을 정의하는 하한 및 상한 레지스터(경계 레지스터) 또는 페이지 테이블 정보. [그림3-7] 프로세스 제어 블록(PCB) • 프로세스는 운영체제 내에서 프로세스 제어 블록이라 표현하며, 작업 제어 블록이라고도 함. • 프로세스를 관리하기 위해 유지되는 데이터 블록 도는 레코드의 데이터 구조. • 프로세스 식별자, 프로세스 상태, 프로그램 카운터 등의 정보로 구성. • 프로세스 생성 시 만들어지고 메인 메모리에 유지, 운영체제에서 한 프로세스의 존재를 정의. • 프로세스 제어 블록의 정보는 운영체제의 모든 모듈이 읽고 수정 가능.

15. 프로세스교환 실행중인 프로세스가 인터럽트되면OS 는 다른 프로세스를 실행상태로 바꾸고 제어권을 넘겨준다. 제어권을 넘겨줄 때, 프로세서의 레지스터 내용은 저장해두어야 한다. 프로세스 교환은 인터럽트와 트랩, 시스템호출로 나타낸다. * 프로그램 : 디스크에 저당된 파일 내용으로 정적인 상태이며, 프로세스 여러 개로 생성될 수도 있다. * 프로세스: 현재 사용되는 자원에 대한 정보를 가지며, 실행되는 과정에서 여러 개의 프로세스로 파생될 수도 있는 능동적인 개체.!

16. 2. 프로세스 관리 : 프로세스 구조 [그림3-9] 프로세스 계층 구조 예(유닉스 시스템) • 실행 중 프로세스 생성 시스템을 호출, 새로운 프로세스를 생성 가능. • 이때 프로세스 생성 순서 저장, 부모/자식 관계를 유지하며 계층적으로 생성됨. • 부모 프로세스(Parent Process) : 생성하는 프로세스. • 자식 프로세스(Child Process) or 서브 프로세스(Sub Process) : 생성되는 프로세스. • 유닉스 시스템의 일반적인 프로세스 계층 구조 (그림 3-9) • 처음 부팅 시 식별자(PID, Process ID)가 0인 첫 번째 프로세스 Swapper 생성. • 이어서 Init(PID=1), Pagedeamon(PID=2) 생성. • Swapper(PID=0), Pagedeamon(PID=2)를 운영체제(커널)프로세스라 하며 운영체제 모드에서만 실행. • 모든 사용자 프로세스는 fork() 명령을 통해 계층적으로 Init의 자식 프로세스로 생성됨.

17. 프로세스 관리: 부모 프로세스/자식 프로세스 • 자식 프로세스 생성 시 필요한 자원을 운영체제로부터 직접 또는 부모 프로세스의 자원 일부 사용 가능. • 부모 프로세스는 자식 프로세스에 자원을 나눠주거나 일부 자원 공유 가능. • 자원의 일부만 사용하도록 제한하면 시스템에 부담을 주는 것을 방지 가능함. • 프로세스 생성 시 획득하는 다양한 물리적, 논리적 자원 외에도 약간의 초기화 데이터가 부모 프로세스에서 자식 프로세스로 전달되는 경우도 있음. • 새로운 프로세스 생성 시 실행과 관련해 다음 두 가지 경우가 가능함. • 부모 프로세스와 자식 프로세스가 동시에 실행됨. • 부모 프로세스는 자식 프로세스들이 모두 종료될 때까지 기다림. • 새로운 프로세스의 주소 공간은 다음 두 가지 경우가 가능함. • 자식 프로세스가 부모 프로세스의 주소 공간을 복사. • 유닉스는 각 프로세스마다 정수로 된 고유한 프로세스 식별자를 가짐. • 새로운 프로세스는 fork() 명령에 의해 생성, 주소 공간은 부모 프로세스의 주소 공간을 복사함. • 부모 프로세스와 자식 프로세스의 정보 교환이 쉬움. • 자식 프로세스가 별도의 프로그램을 적재.

18. 부모 프로세스와 자식 프로스세스가 돌아가는 환경을 구현해보면서 실습해 봐도 좋겠습니다. 시스템 프로그래밍 : ecf자료를 보면서 코딩해봅니다.

19. 프로세스 관리 : 종료 • 프로세스가 명령 실행 후 종료되고 운영체제에 프로세스 삭제 요청 • 일괄 처리 환경 : 작업 종료를 의미하는 신호로 인터럽트 발생 또는 시스템 호출로 중지명령 전달, 프로세스 완료. • 대화형 환경 : 사용자가 로그오프(Log-off)하거나 터미널을 닫을 때 또는 오류에 의해 프로세스 종료. • abort 시스템 호출을 이용한 프로세스 종료. • 종료되는 프로세스를 생성한 부모 프로세스만 호출 가능. • 부모 프로세스가 자식 프로세스의 생존권을 가져 다른 프로세스가 임의로 작업을 중단시킬 수 없음. • 자식 프로세스 종료 시 자식 프로세서의 신원(Identity)이 부모 프로세스로 전달. • 부모 프로세스는 아래의 이유로 자식 프로세스 종료 가능 • 자식 프로세스가 할당된 자원을 초과하여 자원을 사용할 때. • 자식 프로세스에 할당된 작업(Task)이 더 이상 없을 때.

20. 프로세스 관리 : 제거, 중단-재시작 • 제거 • 프로세스를 파괴하는 것. • 제거 시 프로세스에 속한 자원을 시스템에 돌려주고 해당 프로세스는 시스템 리스트나 테이블에서 사라지며, 프로세스 제어 블록 회수. • 프로그램은 디스크에 저장됨. • 중단 및 재시작 • 중단되는 원인 : • 다중 프로그래밍에서 중단은 자원 부족(대기) 상태를 의미하기도 함. • 다중 프로그래밍 환경에서는 자원의 이용률과 시스템 효율 향상을 위해 자원을 동적으로 할당. • 교착상태 발생 시 문제 생김. • 중단 : 할당된 자원을 기다리는 상태. • 대기 : 자원을 할당 받기 위해 기다리는 상태. • 해결방법 : • 1.새로운 프로세스를 생성하여 실행하기 • 2. 이미 실행중인 프로세스를 중단시켰닥 다시 실행하기.

21. [그림3-10] 중단과 재시작을 추가한 프로세스 상태 변화

22. 컨텐스트스위칭(Context Switching) • 프로세스 교환 • 실행 중인 프로세스가 인터럽트되면 운영체제가 다른 프로세스를 실행 상태로 변경, 해당 프로세스에 제어를 넘겨주는 과정에서 실행 중인 프로세스로부터 제어를 인수한 운영체제가 또 다른 프로세스에 제어를 넘겨주기 위해 발생. • 인터럽트 처리 루틴을 실행한 후 현재 실행 중인 프로세스가 재실행될 수 있으므로 대부분의 운영체제는 프로세스 교환으로 인터럽트가 발생하지 않음. • 트랩은 시스템이 치명적인 오류인지를 판단, 치명적 오류일 경우 프로세스를 종료하면서 프로세스 교환 발생. • 컨텐스트스위칭(문맥 교환) • 프로세스를 다른 프로세스로 교환하기 위해 이전 프로세스의 상태 레지스터 내용을 보관하고 다른 프로세스의 레지스터를 적재하는 일련의 과정. • 프로세스가 “준비→실행”, “실행→준비”, “실행→대기”상태로 변할 때 발생. • 오버헤드가 발생하며 오버헤드는 메모리 속도, 레지스터 수, 특수 명령어의 존재에 따라 다르므로 시스템마다 다름.

23. 인터럽트와 트랩 • 인터럽트(Interrupt) • 현재실행되는프로세스와 별도로 외부에서 발생되는 여러 종류의 이벤트(입출력 동작의 종료 등)에 의해 발생. • 제어가 인터럽트 처리 루틴으로 넘어간 후에도 기본 시스템 관리 작업을 처리, 인터럽트 형태에 따라 관련된 운영체제 루틴으로 분기. • 대표적인 인터럽트 예 • 입출력 인터럽트 : 입출력 동작이 발생한 사실을 확인 후 이벤트를 기다리는 프로세스를 준비 상태로 변경, 실행할 프로세스를 결정. • 클록 인터럽트 : : 현재 실행 주인 프로세스의 할당 시간을 조사하여 실행 중인 프로세스를 준비 상태로 변경, 다른 프로세스를 디스패치하여 실행 상태로 변경. • 트랩(Trap) • 부적절한 파일 접근 또는 현재 실행 중인 프로세스에 의해 발생되는 오류나 예외 상황으로 인해 발생.

24. 3. 스레드 [그림3-12] 스레드 구조 • 프로세스에서 실행 제어만 분리한 실행 단위. • 경량 프로세스(LWP, Light Weight Process)라고도 부름. • 중량 프로세스(HWP, Heavy Weight Process)는 스레드를 하나 가진 작업. • 프로세서를 사용하는 기본 단위이며, 명령어를 독립적으로 실해할 수 있는 하나의 제어 흐름. • 작업 == 스레드의 그룹 환경 • 같은 그룹의 스레드와 코드, 주소 공간, 운영체제의 자원(파일, 신호) 등을 공유한다.

25. 스레드의 장점 [그림3-14] 단일 스레드 프로세스와 다중 스레드 프로세스 • 사용자에 대한 응답성증가 • 프로세스의 자원과 메모리 공유 가능 • 경제성 : 한 프로세스의 자원을 공유하므로 프로세스를 생성하는 것으로 오버헤드를 줄일 수 있음 • 다중 프로세서 구조 활용 가능 [그림3-13] 프로세스와 다중 스레드 • 프로세스에 포함된 스레드들은 공통의 목적 달성을 위해 병렬로 수행. • 자원을 공유하여 한 프로세스에서 동시 작업 가능. • 시스템 성능과 효율 향상. • 하나의 프로세스가 서로 다른 프로세서에서 프로그램의 다른 부분을 동시에 실행 가능. • 응용 프로그램 하나가 비슷한 작업들을 여러 개 수행.

26. 단일 스레드와 다중 스레드 모델 [그림3-15] 프로세스 관리 면에서 살펴본 단일 스레드와 다중 스레드 프로세스 • 단일 스레드 프로세스 모델 • 프로세스를 하나의 스레드, 스레드가 가진 레지스터와 스택으로 표현. • 다중 스레드 프로세스 모델 • 프로세스를 각각의 스레드와 고유의 레지스터, 스택으로 표현, 프로세스 주소 영역을 모든 스레드가 공유. • 프로세스의 모든 스레드는 해당 프로세스의 자원과 상태를 공유, 같은 주소 공간에 존재하며 동일한 데이터에 접근.

27. 스레드의 상태 [그림3-18] 스레드 상태 변화 • 대기 - 스레드가 이벤트를 기다릴 때, 즉 입출력 작업 등이 완료될 때까지 대기(보류) 상태. - 자신의 정보(프로그램 카운터, 스택 포인터 등)를 실행 스택에 저장. • 준비 - 스레드가 프로세서에 의해 실행될 수 있는 상태. - 스레드를 대기시킨 이벤트 발생 시 해당 스레드는 준비 리스트에 삽입됨. • 실행 - 스레드가 프로세서를 점유하여 실행 중인 활성화 상태. • 종료 - 스레드가 작업을 종료하면 자원을 해제, 레지스터 문맥과 스택 할당 제거.

28. 스레드의 구현방법 : 사용자 수준 • 사용자 수준 스레드 • 커널스레드를 지원하지 않는 운영체제에서 사용. • 사용자 수준 스레드 여러 개가 커널스레드(프로세스) 하나로 매핑되는 방식. • 다중 스레드 프로세스에 대해 프로세서(실행 문맥) 하나를 할당하므로 다대일스레드매핑이라칭함. • 사용자 수준(공간)에서 스레드 관리가 효율적으로 이루어지므로 스레드와 관련된 모든 과정을 응용 프로그램이 수행. • 응용 프로그램은 사용자 수준 스레드 관리를 위한 루틴으로 구성된 스레드라이브러리 를이용, 다중 스레드로 프로그래밍 가능. • 응용 프로그램은 기본적으로 스레드 하나에서 시작, 해당 스레드에서 실행을 시작함. [그림3-19] 다대일 스레드 매핑과 사용자 수준 스레드

29. 혼합형 스레드 [그림3-21] 솔라리스 2 스레드 • 사용자 수준 + 커널 수준의 스레드를 혼합한 형태 • 스레드 생성은 사용자 영역에서, 여러 개의 사용자 수준 스레드에 여러 개의 커널스레드가매핑되는다대다스레드 모델. • 사용자 수준 스레드 생성 시 커널 수준 스레드를 생성, 성능 감소. • 시스템 호출 시 다른 스레드가 중단되는 문제를 해결하기 위한 방법. • 다대다 모델 구현 운영체제 : 솔라리스(Solaris)

30. SUMMARY • 프로세스 개념 • 운영체제의 주 기능은 프로세스의 생성과 종료. • 프로세스는 실행 중인 프로그램으로, 실행되는 프로세스는 독립적 혹은 협조적일 수 있음. • 협조적 프로세스는 논리적 주소 공간을 직접 공유 또는 파일을 통해서만 데이터 공유 가능. • 프로세스 상태 • 프로세스 상태는 프로세스의 현재 활동에 의해 정의되며, 각 프로세스는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료 상태로 구분, 실행하면서 상태 변경. • 프로세스 제어 블록(PCB)에 의해 운영체제에서 표현되며, 프로세스의 일시 정지(서스펜드) 상태를 이용하여 다중 프로그래밍 환경에서 프로세스 유휴 시간 발생을 해결 가능함. • 문맥 교환 • 프로세스 전환 시 이전 프로세스 상태 레지스터 내용을 보관, 또 다른 프로세스의 레지스터를 적재하는 문맥교환 과정을 거침.

31. SUMMARY • 프로세스와 스레드 • 운영체제는 프로세스를 자원의 소유, 스레드를 실행 단위로 개념을 분리. • 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유, 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력 향상. • 스레드 상태 • 준비, 실행 대기, 종료 상태로 구분. • 한 프로세스에 있는 스레드는 순차적으로 실행, 자신의 정보를 위한 프로그램 카운터와 스택을 각각 가짐. • 사용자 수준 스레드와커널 수준 스레드 • 사용자 수준 스레드: 스레드 사이에 이전의 커널이 개입하지 않아 빠름. • 커널 수준 스레드: 같은 프로세스의 스레드를 동시에 스케줄링 가능, 한 프로세스의 스레드가 대기 상태가 되면 커널이 같은 프로세스에서 다른 스레드를스케줄할 수 있음. • 혼합형 스레드 • 사용자 수준 스레드 생성 시 커널 수준 스레드를 생성. • 성능 감소, 스레드 수가 제한되는 일대일 방식(커널 수준)과 어떤 스레드가 시스템 호출 시 다른 스레드가 중단되는 다대일 방식(사용자 수준)의 문제를 해결하기 위한 방법.