💐Operating Systems Fundamentals 2 - Process 1/2

Process & Thread

 

🚀 Process: 컴퓨터에서 실행중인 하나의 프로그램. 프로그램은 특정 작업을 수행하기 위한 명령어의 집합. 각 프로세스마다 RAM의 독립된 메모리 영역(코드, 데이터, 힙, 스택)을 할당 받는다. 따라서 다른 프로세스의 메모리 영역에 존재할 수 없다(위 프로세스 A 연두색 메모리와 프로세스 B 노란색 메모리가 별도로 존재한다)

 

🚀 그리고 각 프로세스마다 PCB(프로세스 제어 블록)이 만들어진다. PCB는 RAM 내에서 커널 메모리 영역에 별도 관리되며, kernel mode에서만 접근 가능하다(앞의 포스팅에서 kernel mode와 user mode에 대해서 배웠다. user mode일 때는 프로세스 메모리까지 접근 가능하지만, 실제 중요한 PCB는 접근이 불가능하다. kernel mode만 가능)

 

🚀 프로세스 메모리 자세히

(1) stack: 지역변수, 함수의 매개변수, 반환되는 주소 값 등이 저장되는 영역. 높은 주소 값에서 낮은 주소 값으로 메모리 할당. 영역 크기는 컴파일 때 결정. LIFO 방식.

 

(2) heap: 사용자에 의해 동적 메모리 할당 일어남. 낮은 주소 값에서 높은 주소 값으로 메모리 할당. 영역 크기는 런타임 때 결정 (C언어의 malloc()). FIFO 방식

 

※ stack과 heap이 메모리를 공유할 수 있기 때문에 서로의 영역을 침범할 수 있다. stack이 heap을 침범하는 경우는 stack overflow / 그 반대는 heap overflow.

 

(3) data: 전역 변수, 정적 변수, 배열, 구조체 등이 저장. BSS(Block Stated Symbol)인 초기화하지 않은 변수 저장 / Data 영역인 초기화한 변수 저장으로 나뉨.

 

(4) code: 실행할 코드가 기계어로 컴파일되어 저장되는 영역. text 영역

 

🚀 프로세스는 1개 이상의 thread를 가질 수 있다. thread란 실제로 실행되는 흐름의 단위. thread마다 독립적으로 지역변수를 저장하는 stack 메모리 공간 할당 받음. 그 외 전역변수를 저장하는 heap, data, code는 공유.

 

🚀 스레드를 누가 관리하는 지에 따라 사용자 레벨 스레드 / 커널 레벨 스레드 2개로 나눌 수 있다. 3가지 관계를 아래와 같이 맺을 수 있다.

 

(1) many-to-one model

: 사용자 레벨 스레드 n개에 커널 레벨 스레드 1개가 매핑되어 사용자 레벨에서 스레드 관리. 사용자 레벨 스레드가 많으므로 이 중 1개가 시스템 콜을 호출한다면 나머지 사용자 레벨 스레드는 커널 레벨에 접근할 수 없으므로 멀티 코어의 병렬성 이용 불가

 

(2) one-to-one model

: 사용자 레벨 스레드 1개에 커널 레벨 스레드 1개가 딱 매핑된다. many-to-one model의 단점 해결. 하지만 사용자 레벨 스레드 수만큼 커널 레벨 스레드 개수가 증가하므로 성능 저하 단점

 

(3) many-to-many model

: 사용자 레벨 스레드 n개에 커널 레벨 스레드 m개가 매핑된다. m은 n이하. many-to-one model과 one-to-one model의 장점을 포함하나 구현 어려운 단점

PCB

🚀 OS는 프로세스를 제어하기 위해 프로세스의 고유 정보를 PCB에 저장한다. 즉, 프로세스마다 PCB가 고유하게 생성. PCB에는 아래와 같은 정보가 들어가 있다.

 

🚀

(1) 프로세스의 현재 상태

(2) PID: 프로세스 고유 ID

(3) 부모 프로세스 ID

(4) 자식 프로세스 ID

(5) PC(Program Counter): 다음 실행할 명령어의 주소

(6) 프로세스의 우선순위

(7) 메모리 제한

프로세스 생성

🚀 프로세스 생성은 기존 프로세스에서 fork() 함수를 호출함으로써 새롭게 생성된다. 즉, fork() 함수는 기존 프로세스를 복사하는 기능이 있다. 기존 프로세스는 부모 프로세스 / 복사된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다. 부모 프로세스에서 fork()를 호출한다는 뜻이고, 그 결과 기존 부모 프로세스와 새롭게 자식 프로세스가 생성. fork() 이후 아래 코드부터 두 프로세스가 병렬적으로 동시에 실행된다. 부모 프로세스는 fork() 결과로 자식 프로세스의 PID 반환 / 자식 프로세스는 0이 반환된다. 즉, 부모 프로세스가 fork() 함수를 호출한 시점에 자식 프로세스 생성.

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(){
	printf("start!\n");
    int forkRet = fork();
    if (forkRet == 0){
    	printf("child process %d\n", getpid());
    } else {
    	printf("forkRet: %d parent process: %d\n", forkRet, getpid());
    }
    return 0;
}

zombie & orphan process

🚀 고아 프로세스: 부모와 자식 프로세스가 동시에 실행 중인데, 부모 프로세스가 자식 프로세스보다 먼저 종료되어서 남겨진 자식 프로세스. 자식 프로세스가 종료될 때 일반적으로 부모 프로세스에 SIGCHLD라는 시그널을 보낸다. 그러면 부모 프로세스에서 wait() 함수(시스템 콜)를 호출해 자식 프로세스의 상태 정보를 받고 자식 프로세스 자원 회수 완료. 하지만, 해당 역할을 하는 부모 프로세스가 없으므로 고아 프로세스가 된 자식 프로세스는 init 프로세스(부팅 시 가장 먼저 실행되는 프로세스)의 PID를 1로 바꾸어 부모 프로세스로 설정. 고아 프로세스가 종료될 때 init 프로세스가 고아 프로세스의 자원을 회수해 자식 프로세스가 좀비 프로세스가 되는 것을 방지 가능.

 

🚀 좀비 프로세스: 자식 프로세스가 종료되었으나 부모 프로세스가 자식 프로세스의 자원을 제대로 회수하지 못해 남겨진 자식 프로세스. 좀비 프로세스는 자원을 낭비하는 문제점 발생. 

프로세스 상태도

🚀 모든 프로세스는 결국 CPU에 의해 생성되고 소멸한다.

(1) 생성) 프로세스가 PCB를 가진 상태로 생성된다. 단, RAM에 load된 후, OS로부터 CPU에 올라가는 승인 받기 전의 상태

(2) 준비) OS로부터 드디어 승인을 받고 RAM내의 ready queue에 프로세스가 올라간다. / 또는 실행 상태에서 CPU의 독점 방지를 위해 잠시 프로세스가 ready queue로 다시 들어간다. / 또는 대기 상태에서 이제 입출력 또는 이벤트가 완료되어 wait queue에서 ready queue로 다시 들어간다.

(3) 실행) 본격적으로 OS에 의해 프로세스가 CPU에 들어가 실행된다. 이 때, wait queue가 아니라 ready queue에 있는 프로세스 중 가장 우선순위가 높은 프로세스가 dispatch되어 실행된다.

(4) 대기) CPU에 의해 프로세스가 실행 중, 입출력이나 이벤트 발생으로 인해 CPU 사용을 멈추고 wait queue로 프로세스가 들어간다.

(5) 종료) 프로세스 종료. CPU에서 실행 중인 프로세스가 정상적으로 끝나서 종료 상태로 변경된다.