제2부 프로세스 관리(Process Management) 운영체제 4장 제2부 프로세스 관리(Process Management) 프로세스 : 실행중인 프로그램, the unit of work(시스템의 작업단위) CPU time, memory, files, I/O devices -> 요구 1. user process(사용자 프로세스) - user code 실행 2. system process(시스템 프로세스) - system code 실행 프로세스 관리 user process(사용자 프로세스)와 system process(시스템 프로세스의 생성과 삭제 프로세스 스케줄링 프로세스들의 동기화 기법 지원 프로세스들의 통신 지원 프로세스들의 교착상태(deadlock)처리

4.1 프로세스 개념(Process Concept) 운영체제 4장 제4장 프로세스(Processes) 예전 1 program 실행 -> 오늘날 multiple program의 동시 실행 4.1 프로세스 개념(Process Concept) 용어 job : batch system task : time-sharing system process 프로세스(The Process) 프로그램 코드 + 현재 활동(Current activity) PC(Program Counter) 레지스터 값 스택(stack) -서브루틴, 매개변수, 복귀주소, 임시변수 등 데이터 부분(data section)- 전역변수 프로세스 상태(Process State) 생성(new) 수행(running) - CPU가 실행 대기(waiting) - I/O완료나 signal 기다림 준비(ready) - Processor를 받을 준비가 됨 종료(terminated) p99 그림 4.1

4.1 프로세스 개념(Process Concept) [cont.] 운영체제 4장 4.1 프로세스 개념(Process Concept) [cont.] 프로세스 제어 블럭(Process Control Block) 각 프로세스는 PCB로 표현됨 PCB: p100 그림 4.2 프로세스 상태: new, ready, running, waiting, halted 프로그램 카운터: next instruction의 주소 CPU레지스터들: accumulator, index register, stack pointers, 범용 registers, condition-code CPU스케줄 정보: priority, pointers to scheduling queues 메모리 관리 정보: base and limit registers, page tables, segment tables 계정 정보: time used, time limits, account numbers, job#, process# 입출력 상태 정보: I/O devices list allocated to the process, list of open files

4.2 프로세스 스케줄링(Process Scheduling) 운영체제 4장 4.2 프로세스 스케줄링(Process Scheduling) 스케줄링 큐(Scheduling Queues) p102 그림 4.4 job queue(작업 큐) : memory 할당 기다리는 큐(disk에서) ready queue(준비 큐) : CPU에 할당 기다리는 큐 device queue(장치 큐) : 입출력 기다리는 큐 queueing diagram(큐잉 도표) : p103 그림 4.5 스케줄러(Schedulers) 장기 스케줄러(long-term scheduler, job scheduler) pool -> memory(degree of multiprogramming) 단기 스케줄러(short-term scheduler, CPU scheduler) CPU 할당 : must be very fast 중기 스케줄러(medium-term scheduler) swapping degree of multiprogramming을 줄임 memory -> backing store

4.2 프로세스 스케줄링(Process Scheduling) 운영체제 4장 4.2 프로세스 스케줄링(Process Scheduling) 문맥 교환(Context Switch) CPU가 한 process에서 다른 process로 switch될 때 save the state of the old process : CPU와 메모리 상태(PCB정보) load the saved state for new process : CPU와 메모리 상태(PCB정보) pure overhead : performance bottleneck -> threads로 해결 context-switch time : 1-1000microsecond address space 보존 방법 : memory 관리기법에 좌우 4.3 프로세스에 대한 오퍼레이션(Operations on Processes) 프로세스 생성(Process Creation) 프로세스 생성 시스템 호출 : fork, exec.. 부모 프로세스 자신 프로세스 : 사용 자원을 부모 프로세스의 자원(memory, files) 공유 새 프로세스 생성 후 부모는 계속 실행 모든 자식이 끝날 때 까지 기다림 : wait system call로

4.3 프로세스에 대한 오퍼레이션(Operations on Processes) [cont.] 운영체제 4장 4.3 프로세스에 대한 오퍼레이션(Operations on Processes) [cont.] 새 프로세스의 2모델 (자식의 주소 공간 관점에서 본) 1) 자식은 부모의 것을 복제 : fork 2) 자식은 자신의 새 프로그램을 가짐 : fork+exec군 execl : 문자형 인수 포인터들 execv : 인수배열의 포인터 char *av[3]; av[0] = “ls”; av[1] = “-l”; av[2] = (char *)0; execv(“/bin/ls”, av); Unix의 예 : 유인물 참조 1) fork : 자식 process 생성, 모든 process는 PID(Process identifier)를 가짐 2) fork + exec : 호출하는 프로세스의 기억장소에 새 프로그램 load

4.3 프로세스에 대한 오퍼레이션(Operations on Processes) [cont.] 운영체제 4장 4.3 프로세스에 대한 오퍼레이션(Operations on Processes) [cont.] 프로세스 종료(Process Termination) exit 시스템 종료 계산 결과는 부모에게 Return 메모리(물리적/가상적), 오픈한 화일, I/O버퍼를 OS에게 돌려줌 abort 시스템 호출 부모만 호출(그렇지 않으면 서로 죽이는 일 생김) 실행 종료 이유 자식이 할당된 자원을 초과 사용할 때 자식의 task가 더 이상 필요 없을 때 부모가 종료될 때 DEC VMS 또는 Unix 계단식(cascading) 종료 부모 종료 -> OS가 모든 자식 종료 (예) Unix exit system call로 프로세스 종료 wait system call : return값 = 종료하는 자식의 pid wait(&status) status :자식이 exit으로 종료될 때의 상태정보 (하위 8bits : 0(정상종료 경우), 상위 8bits : exit status)

4.4 프로세스 협조(Cooperation Processes) 운영체제 4장 4.4 프로세스 협조(Cooperation Processes) 프로세스 협조하는 이유 정보 공유 (information sharing) 계산 속도 증가 (computation speedup) : parallel computing으로 모듈화(modularity) 편이성(convenience) : parallel computing으로 프로세스 협조 예 : 생산자-소비자(producer-consumer)문제 compiler : assembly code 생산 assembler : assembly code 소비, object code 생산 loader : object code 소비 생산자와 소비자가 동시에 수행되려면 => buffer가 필요(동시 수행을 위해) => 생산자와 소비자의 동기화 필요(생산되지 않은 자료 소비하지 않게) 생산자-소비자 문제 종류 1. 무한 버퍼(unbounded-buffer) 생산자-소비자 문제 생산자는 항상 생산, 소비자는 소비할 자료를 기다릴 수도 2. 유한 버퍼(bounded-buffer) 생산자-소비자 문제 버퍼가 꽉 차 있으면 생산자가 대기, 버퍼가 비어 있으면 소비자가 대기

4.4 프로세스 협조(Cooperation Processes) [cont.] 운영체제 4장 4.4 프로세스 협조(Cooperation Processes) [cont.] 유한 버퍼 생산자-소비자 문제 -> 스레드(LWP)로 하면 효과적 공유-메모리를 이용한 해결책 var n; type item = ..; var buffer: array [0..n-1] of item; in, out; 0..n-1; in<- next free position out<- first full position empty : in = out full : in + 1 mod n = out 생산자 프로세스 repeat ... produce an item in nextp while in+1 mod n = out do no-op; buffer[in] := nextp; in := in + 1 mod n; until false;

4.4 프로세스 협조(Cooperation Processes) [cont.] 운영체제 4장 4.4 프로세스 협조(Cooperation Processes) [cont.] 소비자 프로세스 repeat while in = out do no-op; nextc := buffer[out]; out := out + 1 mod n; ... Consume the item in nextc until false; 버퍼에 최대 n-1 개 항목만 채울 수 있음 -> n 개 항목 다 채우는 방법(6장) in : next free position out : first full position empty, full 구별 위해 마지막 넣지 않음 만일 마지막 넣는 다면 in = out

4.5 스레드(Threads) [cont.] 프로세스 = 자원 + PC 운영체제 4장 4.5 스레드(Threads) [cont.] 프로세스 = 자원 + PC 스레드 : 새 PC (a thread of control)로 같은 address space를 실행하는 fork와 유사 경량 프로세스(LWP; lightweight process) = 스레드 CPU를 이용하는 기본 단위 PC, 레지스터 세트, 스택 영역을 가짐 스레드들은 서로 task(code section, data section, OS resources-open files, signals)를 공유 (p113 그림 4.8) 중량 프로세스(heavyweight process) = 1 thread를 가진 task 비교 경량 프로세스 : CPU switching, thread context switch 레지스터 세트 교환만 중량 프로세스 : process switching, context switching 메모리 관련 작업도(virtual memory page table 변경 등)

4.5 스레드(Threads) [cont.] 제어 스레드의 특성 (예1) 화일 서버 (예2) 생산자 소비자 문제 운영체제 4장 4.5 스레드(Threads) [cont.] 제어 다중 스레드 제어(multiple-thread control) 자 신의 PC, stack, 비독립적(no protection) 다중 프로세스 제어(multiple-process control) 자신의 PC, stack, address space, 독립적(protection) 스레드의 특성 CPU공유 준비, 수행, 대기상태 자식 thread생성 block (예1) 화일 서버 단일 프로세스 모델 : 첫번 process가 disk access 위해 block되면 다른 file server process 수행 불가 다중 스레드 테스크 모델 : 같은 task의 다른 server thread 수행 가능 (예2) 생산자 소비자 문제 2 threads 로 구현하면 좋음(better if on 2 processors)

4.5 스레드(Threads) [cont.] 스레드의 커널 지원 kernel 자체(system call 수행 방법) 운영체제 4장 4.5 스레드(Threads) [cont.] 스레드의 커널 지원 1. kernel supported(커널지원) : Mash, OS/2 : system calls 공평한 스케줄링(fair scheduling) 스위칭 시간이 김(switching is time consuming) : interrupt 처리 때문 2. library supported(라이브러리 지원) : Andrew(CMU) : library calls 불공평한 스케줄링(unfair scheduling) 스위칭이 빠름(switching is fast) 사용자 수준 스레드가 system call을 수행할 경우 system call 완료까지 다른 모든 스레드들은 대기해야 함 3. hybrid approach(혼합 접근) : Solaris 2 kernel 자체(system call 수행 방법) single tasking : Unix kernel : 공유 자료 접근 동기화 불필요 multi tasking : Mach kernel : 스레드들은 동기적임(threads are synchronous) 다른 스레드가 제어를 넘겨준 다음에만 수행 가능(공유 데이타 변경 중에는 제어를 넘겨주지 않음) (cf) asynchronous system인 경우 : locking mechanism필요

4.5 스레드(Threads) [cont.] (예2):솔라리스(Solaris) 2.x Solaris 2가 지원 운영체제 4장 4.5 스레드(Threads) [cont.] (예2):솔라리스(Solaris) 2.x SunOS Release 4.x - Solaris 1.x SunOS Release 5.x - Solaris 2.x Solaris 2가 지원 kernel수준과 user수준에서 스레드 지원 symmetric multiprocessing(대칭적 다중 프로세싱) 각 process가 OS가짐 Master-slave의 반대 real-time scheduling(실시간 스케줄링) 스레드들 : LWP(Light Weight Processes) = a virtual CPU user-level stack과 PC switching(linking with thread)이 빠르다. 문맥 교환 없음. intermediate-level = LWP PCB, register, 계정정보, 메모리 정보 비교적 느리다. kernel-level(스케줄링 대상) 약간의 자료구조와stack switching이 비교적 빠르다.

4.5 스레드(Threads) [cont.] p116 그림 Figure 4.9 Solaris 2의 스레드 운영체제 4장 4.5 스레드(Threads) [cont.] p116 그림 Figure 4.9 Solaris 2의 스레드 Many LWP, many CPU N user-level thread <-> l LWP 1 LWP <-> 1 Kernel-level thread = 1 system call N Kernel-level thread <-> 1 CPU (예) 5개 화일 읽기 -> 5 LWP필요 각 화일 읽기는 Kernel 안에서 I/O완료를 기다려야 함 Solaris 2에서 한 task는 한 I/O완료를 기다리는 동안 block될 필요가 없다. 어떤 작업의 한 LWP(kernel thread)가 I/O 완료를 기다리게 되더라도 CPU는 그 작업의 다른 LWP(kernel thread)로 이동하여 작업 수행을 계속한다. 참조 Solaris 2.x : System Administrator’s Guide, Threads Primer: A Guide to Multithreaded Programming, Bil Lewis, Daniel J.Berg, Prentice Hall, 1996.

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) 통신 방식 <- 한 시스템에서 둘 다 사용해도 됨 공유 메모리 방식(shared-memory) 응용 프로그램 작성자가 응용 레벨에서 통신기능 제공 (예)유한버퍼 생산자-소비자 문제 version 1 메시지 전달 방식(message-passing) IPC(interprocess-communication)기능 이용 : OS가 통신기능 제공 (예)유한 버퍼 생산자-소비자 문제 version 2 IPC기본 구조(Basic Structure) IPC기능의 2연산 send (message) receive(message) 프로세스 P와 Q가 통신함 -> 통신선이 전재 링크 공유 메모리 bus network send/receive연산

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 메시지 시스템을 구현하는 기법들 직접(direct) 또는 간접 통신 대칭(symmetric) 또는 비대칭(symmetric) 통신 자동(automatic) 또는 명시적(explicit) 버퍼링 복사(copy)에 의한 전송 또는 참고(reference)에 의한 전송 고정길이(fixed-sized) 또는 가변길이(variable-sized) 메시지 명칭 부착(Naming) 1) 직접통신(Direct Communication) 대칭적 통신 : 두 프로세스(sender/receiver)가 상대의 이름을 호출 Send(P, message) : 프로세스 P에게 메시지 보냄 Receive(Q, message) : 프로세스 Q로부터 메시지 받음 비대칭적 통신 : sender만 receiver 호출 Receive(id, message) : 임의의 프로세스로부터 메시지 받음 id = 메시지를 보낸 프로세스의 이름으로 설정됨 직접통신의 단점 프로세스 이름 바뀌면 전부 고쳐야(limited modularity)

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] (직접 통신의 예) 생산자/소비자 문제 생산자(producer) repeat ... produce an item in nextp send(consumer, nextp); until false; 소비자(consumer) receive(producer, nextc); consume the item in nextc

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 2) 간접통신(Indirect Communication) mailbox(ports) 통해 통신 send(A, message) : mailbox A에 메시지 보냄 receive(A, message) : mailbox로부터 메시지 받음 mailbox의 구현 프로세스가 mailbox소유 OS가 mailbox소유 버퍼링(Buffering) 링크의 메시지 보유 용량 Zero capacity : rendez-vous(no buffering)…동기적 통신 Bounded capacity : 유한 길이 큐 이용…자동 버퍼링 Unbounded capacity : 무한 길이 큐 이용…자동 버퍼링

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 비동기적 통신(asynchronous communication) : 자동 버퍼링 경우 보통 보낸 메시지 도착 여부 모름 꼭 알아야 할 경우 : 명시적 동기 P : send(Q, message); receive(Q, message); Q : receive(P, message); send(P, “acknowledgment”); 특별한 경우 메시지 보낸 프로세스는 절대로 지연되지 않음 보낸 메시지 미처 받기 전에 새 메시지 보내면 이전 메시지 유실될 수 있음 메시지 유실 방지 위해 복잡한 명시적 동기화 필요 메시지 보낸 프로세스는 받았다는 회신 받을 때까지 기다림 Thoth reply(P, message) 가 메시지 보낸 프로세스와 받는 프로세스의 수행 재개 동기적 통신(synchronous communication) RPC(Remote Procedure Call)로 확장 가능 sender : subroutine call -> reply올 때까지 블록 됨 receiver : 계산 결과를 reply

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 예외 조건(Exception Conditions) centralized 또는 distributed system에서 고장 발생시 오류의 회복(예외 조건) 필요 프로세스 종료(Process Terminates) P는 종료된 Q를 기다림 -> P는 블록 됨 P 종료 Q 종료 사실을 P에 알림 P가 종료된 Q에 메시지 보냄 -> Q의 reply 기다려야 할 경우 블록 됨 메시지 유실(Lost Messages) OS가 탐지 및 처리 책임 sender가 탐지 및 처리 책임 OS가 탐지, sender가 처리 (-> 12장) 훼손된 메시지(Scrambled Messages) 통신 채널의 잡음(noise) 때문 -> 보통 OS가 재전송 오류검사코드(check sums, parity, CRC)으로 조사

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 실례 : Mach 분산시스템을 위한 OS 시스템 호출, task 간 정보전달을 메시지로 port(= mailbox) task 생성 => (kernel mailbox, notify mailbox) 생성 system calls msg_send msg_receive msg_rpc (remote procedure call) port_allocate : 새 mailbox 생성, buffer size = 8, FIFO order port_status : 주어진 mailbox의 메시지 수 반환 메시지 형태 고정길이 header 메시지 길이 두 mailbox 이름(그 중 하나는 sender의 mailbox; reply 위한 return address 포함) 가 변길이 data portion: 정형화된(typed) 데이터 항목들의 리스트

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] send 연산 수신 mailbox가 full이 아니면 메시지 복사 수신 mailbox가 full이면 mailbox에 빈 공간이 생길 떄까지 대기 최대 n 밀리초 대기 기다리지 않고 즉시 복귀 메시지를 임시로 cache : 메시지 하나만 OS가 보관 가능(메시지가 실제로 목표 mailbox에 들어갔을 때 reply ; only one pending message) line printer driver 등 서버 태스크 경우 receive 연산 어떤 mailbox 또는 mailbox set로부터 메시지를 읽을지를 명시햐야 함 지정된 mailbox로부터 또는 mailbox set 중 한 mailbox로부터 메시지 수신 읽을 메시지 없으면 최대 n 밀리초 대기하거나 대기하지 않음 메시지 시스템의 단점 double copy(sender -> mailbox, mailbox-> receiver) Mach는 virtural memory 기법으로 두번 복사 않음(송신 스레드와 수신 스레드를 같은 주소 공간으로 mapping 시킴)

4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 운영체제 4장 4.6 프로세스간 통신(Interprocess Communication) [cont.] 실례 : Windows NT 메시지 전달 방식으로 통신 : 지역 프로시주어 호출 기능(local Procedure Call) 연결 포트(connection port)와 통신 포트(communication port) 사용 통신 작업 클라이언트가 연결 포트 객체에 대한 handle을 open 클라이언트가 연결 요청 서버는 두 개의 사적인(private) 통신 포트를 생성하고 클라이언트에게 두 표트 중 하나의 handle을 돌려줌. 클라이언트와 서버는 해당 통신 포트의 handle을 이용하여 메시지를 보내거나 응답호출(callback)을 하고 응답(reply)을 기다림 세 가지 메시지 전달 기법 포트의 메시지 큐를 중간 저장소로 이용, callback 기법 가능 공유 메모리인 섹션 객체(section object)를 이용, callback 기법 가능 quick LPC : 클라이언트가 연결 요청 후 quick LPC 지시, 서버는 클라이언트 전용 서버 스레드(dedicated server thread) 생성 연결 요청, 메시지 담을 64KB 섹션 객체, 동기화를 수행하는 한 쌍의 사건 객체(event pare object) 처리 장점 : 메시지 복사, 포트 객체 사용, 호출한 클라이언트 파악위한 overhead 제거 단점 : 다른 두 방법보다 많은 자원 사용 메시지 전달 overhead 감소위해 여러 메시지들을 한 메시지로 batch 하기도 함