이 포스팅은 반효경 운영체제 강의 를 듣고 정리하는 글이다.

fork, exec실습 코드는 깃허브에 있다.

프로세스 생성

부모 프로세스는 1개만 존재하고, 자식 프로세스들을 생성한다.
copy on write (cow) 기법

주소 공간
자식은 부모의 공간을 복사한다.
자식은 그 공간에 새로운 프로그램을 올린다.

유닉스에서는 fork 시스템 콜 을 통해 부모 프로세스와 똑같이 복사한다.

수행

• 부모 자식이 공존하며 수행되는 모델
• 자식이 종료될 때까지 기다렸다가 수행되는 모델

프로세스 종료
프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알린다. (exit)

• 자식이 부모에게 output data를 보낸다.
• 프로세스의 각종 자원들이 운영체제에게 반납됨

부모 프로세스가 자식의 수행을 종료시킨다. (abort)

• 자식 프로세스가 할당 자원의 한계치를 넘어설때
• 자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요하지 않음
• 부모가 종료하는 경우
  • 운영체제는 부모 프로세스가 종료하는 경우 자식이 더 이상 수행되도록 두지않음
  • 단계적인 종료

자식을 전부 죽이고서 부모가 죽게되는 구조

wait()
프로세스가 wait() 시스템 콜을 호출하게 되면,

• 커널은 child가 종료될 때까지 프로세스 A를 sleep 시킴 (block 상태)
• 자식 프로세스가 종료되면 커널은 프로세스 A를 깨운다 (ready 상태)

exit()
프로세스의 종료
exit()을 만나는 순간 바로 종료가 되게 된다.
자바로 하게되면 System.exit(0);

자발적 종료
마지막 작업 수행 후 exit() 시스템 콜을 통해 수행
프로그램에 명시적으로 넣어주지 않아도 main 함수가 return되는 위치에 컴파일러가 삽입해준다.

비 자발적 종료

1. 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 종료시킴
   • 자식 프로세스가 한계치를 넘어서는 자원 요청
   • 자식에게 할당된 작업이 더 이상 필요하지 않음
2. 키보드로 kill, break를 수행한 경우
3. 부모가 종료하는 경우
4. 부모 프로세스가 종료하기 전에 자식들이 먼저 종료

프로세스간 협력

독립적 프로세스

프로세스는 각자의 주소 공간(코드, 스택, 데이터)을 가지고 수행되므로,
원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미치지 못한다.

협력 프로세스

프로세스 협력 메커니즘을 통해 하나의 프로세스가 다른 프로세스에 영향을 미칠 수 있다.

프로세스 협력 메커니즘 (IPC: Inter Process Communicaiton)

1. 메세지를 전달하는 방법
   message passing : 커널을 통하여 메세지를 전달
   프로세스에게 직접 전달하는 방법, mailbox를 통한 전달방법
2. 주소 공간을 공유하는 방법
   shared memory : 서로 다른 프로세스 간에 일부 주소 공간을 공유하게 하는 shared memory 메커니즘이 존재 (이 부분도 커널에게 공유하겠다는 시스템 콜을 이용해야한다)

program은 CPU를 사용하는 단계 (CPU burst) -> I/O를 수행하는 단계 (IO burst)를 계속 반복하며 실행된다.
(물론 CPU만 사용하는 프로그램도 존재할 수 있음)

여러종류의 job(=process)가 섞여있어 CPU스케줄링이 필요하다.
Interactive job에게 적절한 응답 제공하기 위함
CPU와 입출력 장치등의 시스템 자원들을 골고루 효율적으로 사용하기 위함

CPU 스케줄러
ready 상태의 프로세스 중 이번에 CPU를 줄 프로세스를 고름

Dispatcher
CPU의 제어권을 CPU 스케줄러에 의해 선택된 프로세스에게 넘김
이 과정을 context switching(문맥 교환)이라 한다.

동기식, 비동기식 입출력

프로세스가 입출력이 진행되는 동안에 CPU 점유는 중요하지 않음

입출력 명령을 계속 대기하면 동기,
해놓고서 다른 작업을 수행하면 비동기

구현 1

I/O가 끝날때 까지 계속 대기해 CPU를 낭비시킴
매시점 하나의 입출력만 일어남

구현 2

입출력이 완료될 때까지 해당 프로그램에서 CPU를 빼앗음
다른 프로그램에서 CPU를 가지고 연산 수행
입출력 작업이 완료되면 해당 프로세스에 CPU할당

스레드

프로세스 내부의 CPU 수행단위가 여러개 있는것이 스레드

프로세스마다 code, data, stack 이 주어짐

CPU수행과 관련된정보는 스레드가 별도로 가지고있고,
나머지는 공유한다.

스레드의 구성

program counter
register set
stack

스레드의 장점

1. 다중스레드 구성된 작업구조에서는 하나의 스레드가 blocked 상태인 경우에도
   동일한 작업 내의 다른 스레드가 실행되어 빠른 처리가 가능하다.
   1, 2, 3 을 보여줄때
   먼저 완료된거 바로 보여주게 되면 사용자에게 좀더 원활한 서비스를 제공가능

2. 자원 공유 - 같은 일을 하는 프로그램을 멀티 프로세스를 구성하기 보다는 cpu 수행단위만 여러개로 주게되면 자원을 효율적으로 사용이 가능하다.

3. 같은 작업을 다중 스레드를 사용하여 동시처리가 좋아지고 성능 최적화를 할 수 있다.
   (병렬 처리)

4. 여러개의 프로세스에서 각각의 스레드가 서로 다른 CPU에서 병렬적으로 작업 수행이 가능하다.

커널 스레드
커널의 지원을 받는 스레드
운영체제 커널이 여러 스레드로 구성되어 있는것을 알고있음

유저 스레드
라이브러리를 통해 지원, 프로세스안에 여러 스레드가 있다는것을 운영체제는 모름
구현사항에 제약은 있을 수 있음

프로세스

프로세스는 파일 형태로 존재하는(ex - xxx.exe 등) 프로그램이 실행되어 메모리에 올라가 있는 상태를 뜻한다.

잡(Job)이라는 용어와도 혼용해서 부른다.

프로세스를 이해하려면 프로세스 문맥(Context)도 알아야 한다.

프로세스 문맥(Context)

문맥은 해당 프로세스의 주소공간, 레지스터의 값, 시스템 콜 등등을 통해

커널에서 수행한 작업의 상태, 커널이 관리하고 있는 정보들을 담고있다.

프로그램이 프로세스가 되면, 운영체제는 프로세스를 관리하기 위한 자료구조를 유지한다.

이 두개가 바로 PCB, 커널스택이다.

프로세스의 상태에는 실행, 준비, 봉쇄가 있다.

• 실행
  • 프로세스가 CPU를 보유, 기계어 명령을 실행하고 있는 상태
  • CPU는 하나뿐이므로, 여러 프로세스가 실행된다 하더라도 실행 상태에 있는 프로세스는 매 시점에 하나뿐
• 준비
  • CPU를 할당 받지 못한 상태
• 봉쇄
  • CPU를 할당받더라도 바로 명령을 실행할 수 없는 프로세스의 상태
  • 프로세스가 요청한 입출력 작업이 진행중인 경우 이에 해당함

프로세스의 상태를 구분하는 이유는 컴퓨터의 자원을 효율적으로 관리하기 위함

크게는 3가지이고

시작과 완료 상태가 존재한다.

프로세스가 시작되어 프로세스를 위한 자료구조는 생성됐는데 메모리를 획득하지 못한 경우를 시작상태,

프로세스와 관련된 자료구조를 완전히 정리하지 못한상태가 완료상태이다.

운영체제에게 입출력을 요구하건 다른 작업을 요구하면 모두 큐에 줄을 서게되고,

자기 차례가 되면 그때서야 데이터들을 받게되고, 그 때 인터럽트가 발생해서 입출력 완료 사실을 알림

프로세스 제어 블록 (Process Control Block; PCB)

PCB는 운영체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위하여 프로세스마다 유지하는 정보들을 저장하는

커널 내의 자료구조이다. 구성 요소는 아래와 같다.

• 프로세스의 상태
• 프로그램 카운터 값
• CPU 레지스터 값
• CPU 스케줄링 정보 (메모리 할당을 위해 필요한 정보)
• 메모리 관리 정보 (메모리 할당을 위해 필요한 정보)
• 자원 사용 정보
• 입출력 상태 정보

문맥교환 (Context Switching)

하나의 프로세스로부터 다른 프로세스로 CPU 제어권이 이동하는 것을 컨텍스트 스위칭이라 한다.

교환이 될 때 원래 CPU를 가지고 있던 프로세스는 프로세스의 문맥들을 PCB블록에 저장하고,

제어권을 받은 CPU는 자기 자신의 저장된 문맥을 PCB로부터 읽어온다. (이 과정이 성능을 느리게 할듯?)

인터럽트에서 설명을 정리했을 수 있는데,

프로세스 중간에 입출력을 해야된다거나 등등으로 운영체제를 사용해야 하는 경우에 시스템 콜을 하게 될텐데

이 때의 프로세스는 컨텍스트 스위칭이 아니라 그냥 해당 프로세스가 실행중인 것이다.

그래서 이러한 과정에선 컨텍스트 스위칭이라고 하지 않는다.

CPU를 점유하는 프로세스가 다른 사용자의 프로세스로 변경되어야만이 컨텍스트 스위칭이라 할 수 있다.

CPU 할당 시간을 아주 작게 설정하면 너무 많이 컨텍스트 스위칭이 일어나서 오버헤드가 커지며

성능이 저하될 것이다.

반대로 너무 시간을 길게 잡게되면 시분할 시스템의 의미가 퇴색될 수 있다.

반효경 운영체제 강의 정리

컴퓨터 시스템 2

사용자 프로그램이 운영체제를 통해서 무언가를 해야할 때에는 시스템 콜을 이용한다!

프로그램 카운터 (PC, Program Counter)

프로그램 카운터는 CPU안에 포함되어 있는데,
이는, 메모리에서 다음 실행되어야할 작업의 주소가 들어있다.
CPU는 이 주소를 바탕으로 다음 작업을 찾아가 작업을 수행하게 된다.

 

인터럽트가 발생한다면?

 

인터럽트가 발생한 경우에는, 프로그램 카운터가 가리키고 있는 주소로 바로 이동하지 않고,
CPU제어권이 OS로 가게 되면서 해당 인터럽트를 우선으로 처리해준다.

동기식, 비동기식 입출력

비교적 최근에 내가 29cm의 지원을 했을때를 떠올려본다.
그때 당시, 자바에서 csv파일을 읽어들여야 하는 작업이 있었다.
그 부분을 토대로 이해해보면
과제에서 csv를 읽어들이는 로직이 필요했는데, 자바에서 다른 작업을 OS에서 메모리를 할당받고, CPU를 할당받게 되면서 잘 진행하다가 파일을 읽어들이는 I/O 관련 작업을 실행하려고 할 때 디스크로 부터 가져와야 하니 커널모드의 운영체제가 필요했을 것이다.
근데 이 맥락에서 자바 프로세스는 CSV파일을 읽어들이는 I/O관련 로직은 사용자 프로그램에서는 진행할 수 없기에 시스템콜을 위한 인터럽트를 발생시킨다.
이렇게 발생되면 CPU는 인터럽트를 감지하여 주도권을 OS에게 넘기고,
OS는 하드디스크를 관리하는 디바이스 컨트롤러에게 위임하여 csv파일을 읽도록 위임하면서, 동기식이라면 디바이스 컨트롤러가 로컬 버퍼에 적재하는 작업을 모두 완료
할때까지 대기한다.
디바이스 컨트롤러가 이작업을 완료하는데까지 CPU는 대기상태에 들어가게 될 것이다.
그리고선 디바이스 컨트롤러가 완료했다는 인터럽트를 발생시키면
CPU는 다시 자바 프로세스에 할당이 된다음 다음 작업을 처리할 것이다.
다시 할당되는 과정을 질문을 해보았는데,
cpu 디스패처로 할당하는것 같다고 답변을 들었다. (이부분은 좀 더 뒤에서 다뤄봐야할듯?)

동기식 입출력

1. I/O 입출력 작업이 완료되어야 다른 작업 진행 (완료되기 전까지 대기)

이 방법은 완료되기전 까지 대기한다면 CPU가 낭비된다.
매 시점에 하나의 입출력만 가능하게 된다.

1. I/O 입출력 요청 후 다른 프로세스에게 CPU를 토스한다.

넘겨받은 CPU도 I/O를 요청하여 계속 다음 프로세스에게 CPU를 토스할 수 있다.

비동기식 입출력

비동기식은 I/O입출력을 요청한 후에
바로 CPU 제어권을 얻어서 다른 작업들을 쭉쭉 수행하다가
입출력 작업이 완료되면 인터럽트를 발생시켜줘서 완료 시점을 캐치하게 된다.

두가지 모두 인터럽트를 통하여 알려준다는 사실은 동일하다!!!

Memory Mapped I/O

일반적인 입출력은 메모리에 접근하는 명령과 I/O 장치를 접근해야 하는 명령이 구분되어 있다.
Memory Mapped I/O는 I/O 장치에 대해 메모리 주소를 할당해놓은것이다.
주소로 호출을 하게 되면 그것이 I/O를 하게 되는 것이다.

저장장치 계층 구조

레지스터 -> 캐시 메모리(SRAM) -> 메인 메모리(DRAM) ->
(CPU가 여기서부터 직접 접근 불가) 하드 디스크 -> optical disk -> magnetic tape
이 순서의 계층 구조로 되어있으며, 오른쪽으로 가면 갈수록 비용이 싸면서, 용량 증가하고 속도는 느려진다.

 

이미지 출처 - http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1046323

 

어떤 프로그램을 실행시키면 메모리의 프로세스로 올라가는데
중간단계를 거치는 것이 가상 메모리
A라는 프로그램의 주소공간 0번지부터 시작하는것이 생기게 된다. (각 프로그램마다)
stack, data, code를 가지고 있음

• code
  • 인터럽트, 시스템콜 처리 코드
  • 자원 관리 위한 코드
  • 서비스 제공을 위한 코드
  • 쉽게말해 CPU와 소통할 커널부분의 코드들이 적재됨
• data
  • pcb, cpu, memory, disk 와 소통 가능
• stack
  • 프로세스 마다의 스택이 생성됨

종료시키면 가상 메모리가 사라짐
통째로 메모리에 올리면 메모리가 낭비되기 때문에
현재 실행되는것만 메모리에서 사용했다가 더이상 사용하지 않으면 제거
커널은 부팅하고나서 띄워지면 항상 상주
결국 프로그램은 커널모드, 유저모드를 반복하다가 끝나게 되는것

반효경 교수님의 운영체제 강의를 정리하는 포스팅
System Structure & Program Execution 1

📌 컴퓨터 시스템 구조

컴퓨터 시스템의 구조는 아래와 같다.

이미지 출처 - https://asfirstalways.tistory.com/115

컴퓨터 시스템에는 크게 중앙 처리장치인 CPU, 메모리, 그리고 외부 장치들인 디스크, 키보드 등등
으로 구분된다.
컴퓨터는 외부에서부터 데이터를 읽어와 연산을 한 후에 다시 출력해주는 방식으로 처리한다.

📌 CPU

CPU는 Memory에 올라간 프로그램들의 명령들을 하나하나 읽어들여 수행하는 역할을 담당한다.

I/O마저도 이 CPU가 관리하게 되면, 너무나도 많은 인터럽트가 발생하게 된다.

이런 경우에는 CPU가 효율적이지 못하다고 할 수 있다. (오버헤드가 너무 큼)
그래서 이것을 방지하게 나오는 것이 바로 DMA(Direct Memory Access) Controller를 사용한다.

접근 범위

CPU가 접근 가능한 곳은 메모리와 Local Buffer이다.

Interrupt Line

CPU는 자기가 처리하던 연산 중간에 인터럽트가 발생하게 되면, 하던일을 두고
인터럽트에 관련된 업무를 먼저 처리한다.

Mode Bit

운영체제에는 두가지의 모드가 존재하는데,

1. 유저모드
2. 커널모드

두가지 모드가 존재하는 이유는, I/O장치들을 보호하기 위해서이다.
모든걸 조작해서 악의적인 프로그램을 만들어서 I/O 장치에 접근할 수 없게하고, 운영체제를 통해서만
I/O를 수행할 수 있게 하는것.

• 유저모드
  • 어플리케이션이 실행되는 영역
• 커널모드
  • 프로그램들이 잘 수행되다가 인터럽트가 발생되어 운영체제가 호출되어 수행되는 영역

프로세스가 사용자 모드에서 작업을 수행하다 중요한 작업을 수행해야 할 경우에는 System Call(소프트웨어 인터럽트)을 통해 운영체제에게 서비스를 대신해 줄 것을 요청하게 된다.
그러면 CPU의 제어권은 다시 운영체제로 넘어가게 되고 인터럽트가 발생할 때에는 모드 비트가 자동적으로 0(커널모드)으로 세팅되어 필요한 작업을 수행하고 요청된 작업이 끝나게 되면 모드 비트는 다시 1(유저모드)로 만들어 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨주게 된다.

📌 DMA (Direct Memory Access) Controller

DMA 컨트롤러는 Local Buffer에 저장된 데이터들을 메모리로 복사하는 작업이 완료 되면,
그때만 CPU에게 인터럽트를 발생시킨다.

📌 Memory Controller

메모리 컨트롤러는 현재 위의 구조대로면, CPU와 DMA 컨트롤러가 서로 메모리에 접근이 가능하다.

그래서 만약 CPU, DMA가 동시에 접근하는 경우 데이터의 일관성이 깨질 수 있기 때문에

서로의 사용을 분배해주는게 바로 이 메모리 컨트롤러이다.

📌 Device Controller

이 컨트롤러는 해당 I/O를 관리하는 작은 CPU개념이다.
제어 정보를 위해 control, status register를 가진다.
Local Buffer(실제 데이터 저장)를 가진다.
I/O는 Device와 Local Buffer 사이에서 일어난다.
I/O가 끝난 경우에는 CPU에게 인터럽트로 알리게 된다. (DMA가 존재하면 DMA Controller)

Local Buffer

디바이스 컨트롤러가 데이터를 임시로 저장하기 위한 작업 공간.

Device Driver도 있는데 이는 CPU가 실행하는 각 디바이스들에 접근하기 위한 소프트웨어이다.

📌 Timer

무한 루프문을 돌게되는 어떤 프로그램만 CPU를 독점하는 상황이 생길 수 있다.
이럴 때를 대비해서 만든 것이 바로 타이머이다.
타이머는 특정 프로그램이 CPU를 독점하는 것을 막아주는 역할을 수행한다.
컴퓨터를 처음 시작하면 운영 체제가 CPU를 가지고 있다가 사용자 프로그램에게 CPU를 넘겨준다.
이 때, 그냥 넘겨 주지 않고 타이머 값을 설정하고 넘겨준다.
어떤 프로그램이 설정된 Timer의 값이 0이 되었을 때 타이머 인터럽트가 발생하여 다른 프로그램에게 CPU를 넘겨준다.

📌 Interrupt

CPU가 한개의 작업밖에 수행할 수 없는데,
하나의 작업을 수행중에 I/O가 발생하거나, 다른 우선 순위가 급한일이 생기게 되면 이 인터럽트가 발생된다.
키보드에서 'a'라는 키를 누르게 되면, 이 키의 코드값이 Local Buffer에 저장되고 인터럽트가 발생해서
처리하고 있던 작업을 인터럽트가 발생하기 직전까지의 정보를 저장(여기가 바로 PCB) 하는 인터럽트 처리 루틴을 수행한다.
인터럽트는 소프트웨어, 하드웨어 인터럽트 2개가 존재한다.

소프트웨어 인터럽트

돌다가 운영체제에게 대신 해달라고 요청할 경우 인터럽트를 발생시킬 수 있음
종류 - 예외 상황, System Call

하드웨어 인터럽트

하드웨어가 발생시키는 인터럽트로, CPU가 아닌 다른 하드웨어 장치가 cpu에 어떤 사실을 알려주거나 cpu 서비스를 요청해야 할 경우 발생시킨다.
ex - I/O완료 인터럽트 발생 (하드웨어 인터럽트)

인터럽트 벡터

인터럽트 처리 루틴 주소를 알고 있다. 종류마다 그 인터럽트가 발생하면 어디있는 함수를 실행하는지

인터럽트 처리 루틴

인터럽트 처리 루틴을 통해 해당하는 인터럽트 처리를 완료하고 나면 원래 수행하던 작업으로 돌아갈 위치를 알아야 하고,
인터럽트 처리 전에 수행 중이던 작업이 무엇이었는지 반드시 저장해야 한다.
그래서 운영 체제는 PCB라는 공간을 별도로 가지고 있다.

📌 System call

사용자 프로그램이 운영체제의 서비스를 받기 위해 커널 함수를 호출
모든 입출력 명령은 운영 체제만 사용할 수 있는 특권 명령으로만 가능하다. 그래서 사용자 프로그램은 이 시스템 콜을 활용한다.

사용자가 프로그램을 실행시키면 메모리에 올라가며 프로세스가 실행된다.
지금의 컴퓨터는 수많은 프로세스들이 실행된다.
시분할 시스템이 사용되는 운영체제에서는 여러개의 프로세스를 돌아가면서 실행한다.
cpu가 병렬적으로 여러 프로세스를 막 실행시키는것이 아니라,
한 순간에 하나의 프로세스만 처리가 가능하다.
그렇지만, 그 속도가 우리가 눈치챌 수도 없을 만큼의 속도로 분할되어 실행되기
때문에 여러 프로세스가 동시에 실행되는것 처럼 느끼게 한다.
프로세스는 시분할 시스템 처리를 위한 5가지의 상태가 존재한다.

• 생성

  • 이 상태는 PCB를 생성하고, 메모리에 프로그램 적재를 요청한 상태
  • 메모리에 프로그램 적재를 승인받으면 준비상태로 넘어간다.

• 준비

  • CPU를 사용하기 위해 기다리고 있는 상태
  • 준비 상태의 프로세스는 CPU 스케줄러에 의해 CPU가 할당
  • 대부분의 프로세스가 이 상태에 존재함.

• 실행

  • CPU스케줄러에 의해 CPU를 할당 받아 실행되는 상태
  • 실행 상태에 있는 프로세스의 수는 CPU의 개수만큼
  • 이 상태에 있는 프로세스도 CPU를 무한정 쓸 수 있는것이 아니라 할당된 시간만큼만 사용이 가능하다.
  • CPU스케줄러는 할당된 시간을 초과하면 할당했던 CPU를 강제로 뺏는다.
    • 이 때, 프로세스는 다시 준비 상태로 되돌아간다.

• 완료

  • 프로세스가 종료된 상태
  • 프로세스가 사용했던 데이터들을 메모리에서 제거한 후 생성된 PCB도 제거한다.

• 대기

  • 프로세스가 입출력요청이 있으면, 완료될 때까지 기다리는 상태
  • CPU는 굉장히 빠른데 비해 입출력은 굉장히 느린작업에 속함.
  • 특정 프로세스가 입출력 요청을 한다면 요청이 완료될 때까지 CPU를 기다리게 하는것은 굉장히 비효율적이기 떄문에 입출력 요청을 한 프로세스를 이 상태에 두고 다른 프로세스에게 CPU를 할당함.
  • 시간이 지나, 입출력이 완료되면 이 대기상태에게 CPU할당 기회를 준다.
  • 이렇게 되면, CPU에게는 미안하지만 쉬는 시간을 주지 않고 빡세게 굴릴 수 있다.

• 출처

  • 이미지 : 그림으로 쉽게 배우는 운영체제