프로세스
프로세스에 대하여
프로세스는 하나의 작업 단위이다. 프로그램을 실행하면 프로세스가 된다.
폰노이만 구조에서는 프로세스가 실행된다는 것은 메모리에 올라와서 작업이 진행된다는 의미를 가진다.
일괄 작업 방식에서는 한번에 하나의 프로세스만 처리한다. 시분할 방식에서는 CPU의 시간을 쪼개서 여러 프로세스에 배분한다.
프로세스가 된다는것은 PCB 프로세스 제어 블록을 생성한 다는 것이다.
프로세스 실행
프로세스는 시스템의 작업 단위로써 테스크라고도 불린다. 프로그램을 메모리의 적당한 위치로 가져온다. 동시에 작업 지시의 내용이 담긴 프로세스 제어 블록 PCB가 만들어 진다.
프로세스 제어 블록
🟠 프로세스 구분자 : 메모리에는 여러 개의 프로세스가 존재하므로 각 프로세스를 구분하는 구분자가 필요하다. 🟡 메모리 관련 정보 : CPU는 실행하려는 프로세스가 메모리 어디에 위치하고 있는지 알아야 한다. 메모리 보호를 위한 경계 레지스터, 한계 레지스터도 포함되어 있다. 🟢 각종 중간값 : 프로세스의 중간값이 저장된다.
하나의 프로세스를 실행 할 때엔 PCB의 구성 요소와 프로그램 카운터 각종 레지스터등을 관리해야 한다. PCB는 운영체제가 프로세스를 위해 관리하는 데이터 구조이기 때문에 운영체제 영역에 만들어 진다. 프로세스와 PCB는 같은 생명 주기를 가진다.
프로세스의 상태
일괄 작업 시스템의 상태는 생성,실행,완료 만 가진다.
시분할 시스템에서의 프로세스 상태는 조금 더 세분화 되어있다. CPU를 프로세스가 나눠서 사용하기 때문이다
다음에 실행할 프로세스는 CPU 스케줄러에 의해 결정된다. CPU 스케줄러에 의해 실행되는 작업을 디스패치라고 한다. 또한, CPU에 할당된 작업시간을 타임 슬라이스 , 타임 퀀텀 이라고 부르는데 이 시간동안 작업을 끝내지 못하면 다시 준비 상태로 돌아가는데 이를 타임아웃 이라고 한다.
프로세스 제어 블록
중요한 정보를 보관하는 자료구조 TCB라고 한다. 모든 프로세스는 고유의 프로세스 제어 블록을 가지고 있으며, 프로세스 생성 시 만들어지고 실행을 완료 후 폐기 된다.
PCB의 구성
💭 포인터
입출력이 완료되기를 기다리는 프로세스는 대기 상태로 모인다.
같은 종류의 입출력을 기다리는 프로세스를 모아놓게 된다면 관리하기가 용이하다. 대기 큐에서 완료 인터럽트가 오면, PCB를 준비 상태로 바꾼 후 , 장치관리자의 큐에서 제거한다
문맥 교환
CPU를 차지하던 프로세스가 나가고 새로운 프레스르르 받아들이는 작업이다. 양쪽의 PCB가 뒤 바뀌게 되며, 실행상태에서 나가는 PCB는 작업내용을 저장하고 들어오는 PCB의 내용으로 CPU가 다시 세팅된다.
💭 문맥 교환 방식
실행 상태의 프로세스 P1 의 타임아웃이 발생하면 ▶ P1의 PCB에 작업 결과가 저장되고 ▶ 준비상태로 바뀐다 ▶ P2 가 실행상태로 바뀌며 CPU의 레지스터가 P2의 PCB로 채워지고 ▶ 작업을 진행한다.
문맥 교환은 타임아웃, 인터럽트 시 발생한다.
프로세스 연산
프로세스는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역으로 구성되어 있다.
📗 코드 영역 프로그램의 텍스트가 기술되어 있다. 작성된 프로그램은 코드 영역에 탑재되어 읽기 전용으로 처리된다.
📘 데이터 영역 코드가 실행되면서 사용하는 변수, 파일 각종 데이터가 저장되어 있다. 읽기&쓰기가 가능하다
📙 스택 영역 프로세스를 실행하기 위해 부수적으로 필요한 데이터를 모아놓은 곳이다.
생성과 복사
프로그램이 실행 되면 운영체제는 프로그램을 메모리에 올린 후, 코드영역에 넣고 PCB를 생성한다. 그후, 메모리에 데이터 영역과 스택 영역을 확보한 후, 프로세스를 실행한다.
💭 fork()
fork() 는 실행 중인 프로세스로 부터 새로운 프로세스를 복사하는 함수이다. 일종의 시스템 호출이며, 실행중인 프로세스와 똑같은 프로세스가 하나 더 만들어지게 된다.
💭 fork() 동작 과정
PCB을 부모 프로세스 영역의 대부분이 자식프로세스에 복사되어 똑같은 프로세스를 생성한다.
PID, 메모리 위치, PPID & CPID 만 서로 다르다.
💭 exec()
기존의 프로세스를 새로운 프로세스로 전환하는 함수 이미 만들어진 PCB , 메모리, PPID-CPID 관계를 그대로 사용할 수 있다.
💭 exec() 동작 과정
코드영역에 있는 기존의 내용을 지운뒤 새로운 코드로 바꾼다. 데이터 영역이 새로운 변수로 채워지고 스택 영역이 리셋 된다. PCB의 각종 레지스터와 파일 정보는 전부 리셋된다
스레드
코드와 데이터를 메모리에 가져오고 PCB를 생성하고 작업에 필요한 메모리 영역을 확보한 후, 프로세스를 준비 큐에 삽입한다. 프로세스가 생성되면 CPU 스케줄러는 프로세스가 해야할 일을 전달한다
💭 프로세스
하나의 큰 작업 단위이다, 쓰레드를 이뤄 프로세스를 만든다
💭 스레드
프로세스가 CPU에 작업 요청을 하는 하나의 실행 단위이다.
종류
💭 멀티 스레드
프로세스 내 작업을 여러 스레드로 분할함으로써 작업의 부담을 줄인다
💭 멀티 태스킹
CPU에 작업을 줄 때 시간을 잘게 나누어 배분하는 기법이다. 시분할 시스템에서 사용하는 방식이다
💭 멀티 프로세싱
CPU를 여러 개 사용하여 여러 스레드를 동시에 처리하는 작업 환경이다.
💭 CPU 멀티 스레드
한번에 하나씩 처리해야 하는 스레드를 파이프라인 기법을 이용하여 동시에 여러 스레드를 처리하도록 만든 기법
스레드 구조
fork() - exec() 구조는 낭비 요소가 많다. 코드 영역과 데이터 영역의 일부만 메모리에 중복되어 존재하여 제거할 수 없는 낭비 요소가 생긴다 이런 멀티태스킹의 낭비요소를 제거하기 위해 스레드를 사용한다. 코드, 데이터를 공유하며 여러 개의 일을 하나의 프로세스에서 하는 것이다
프로세스는 정적인 영역과 동적인 영역으로 구분되는데, 정적인 영역은 바뀌지 않는 영역이고, 동적인 영역은 레지스터값, 스택, 힙 처럼 바뀌는 영역이다.
💭 장점
🔴 응답성 향상 : 입출력으로 인해 작업이 진행되지 않아도 다른 스레드가 작업을 계속하여 사용자의 작업 요구에 응답한다. 🟠 자원 공유 : 독립적인 스레드를 생성하면 프로세스가 가진 자원을 모든 스레드가 공유하게 되어 작업을 원할하게 진행 🟡 효율성 향상 : 여러 개의 프로세스를 생성하는 것과 달리 멀티스레드는 불필요한 자원의 중복을 막는다. 🟢 다중 CPU 지원 : 프로세스 작업이 분할되어 처리시간이 단축 된다
💭 단점
독립적인 프로세스가 아니기 때문에 문제가 생겼을 때, 전부 종료된다
멀티 스레드 모델
커널 스레드 : 커널이 직접 관리 사용자 스레드 : 라이브러리에 의해 구현되었다
💭 사용자 스레드
운영 체제가 멀티 스레드를 지원하지 않는 경우 사용, 사용자층 에서 구현하기 때문에 라이브러리를 사용한다. 프로세스의 여러 스레드가 하나의 커널과 연결된다 1 to N
💭 커널 스레드
하나의 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결된다 1 to 1 독립적으로 스케쥴링이 되기 때문에, 다른 스레드가 멈추지 않는다.
💭 멀티레벨 스레드
사용자 스레드와 커널스레드를 혼합한 방식 이다 M to N 사용자&커널 스레드가 혼용된 방식으로 필요한 부분에 유연하게 처리할 수 있다.
동적 할당 영역
스택 영역과 힙 영역은 프로세스가 실행되는 동안 만들어 지는 영역 이므로, 크기가 늘거나 줄거나 한다.
🔴 스택 함수 호출과 복귀 시 스택이 사용된다. 변수 사용 범위에 영향을 미치는 영역을 구현할 때 사용된다. 스택은 FILO 구조이다. 🟡 힙 동적으로 할당되는 변수 영역이다
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