[OS] Process

[공룡책의 OS introduction - OS Process(OS 프로세스) 부분을 요약한 내용입니다]

Process Concept - 3.1

• process란? 실행 중인 프로그램
  • 운영체제 입장에서는 관리해야되는 단위.
  • HDD 안에 있는 실행 파일은 CPU가 execute못한다. HDD가 instruction set으로 이루어진 시스템으로 메모리에 올라와 있을 때 process라고 한다.
• memory section
  • text - data - heap - stack
• as a process executes, 상태변화
  • new - running - waiting - ready - terminated

• PCB(Process Control Block) or TCB
  • 프로세스 관리하는 가장 좋은 방법은 PCB라는 구조체를 만드는 것이다.
  • 이 구조체 안에 각 프로세스가 가져야하는 모든 정보를 저장한다.
  • PCB 안에 존재하는 정보들
    • process state : new/running/wait/ready 상태인지 확인
    • program counter : 다음에 실행될 명령어의 주소, 명령어 포인트라고도 한다. 메모리는 PCB에 있는 주소를 가져온다.
    • CPU registers를 가지고 있다. 이 안에 program counter, IR 등 들어 있다.
    • scheduling information, memory-management information, Account IF I/O status IF

• program that single thread of execution이다.
  1. CPU에 Program Counter, IR이 하나씩 있고, Data Register들이 있다.
  2. PC에 따라서 프로세스가 올라가고, IR을 가져온다.그리고 순차적인 실행.
  3. P0라는 프로세스가 쭉 동작하다가, PCB가 바뀌고 P1이 동작 완료 후 P0로 돌아왔을 때 이어서 동작 한다 = single thread of execution
• multi thread of execution은 multitasking, multiprocess이다. = 운영체제의 핵심 기능.
• process를 여러개하는 것보다 thread 여러개 하는게 장점이 많다.(multiprocessing 보단 multi threading)

Process Scheduling - 3.2

• multiprogramming의 목적
  • 동시에 하는것과 parallel와는 다른 말
  • CPU를 효율적이게 사용하자. 여러개의 프로세스가 돌아가는 것.
• time sharing's objective
  • process를 자주 바꿔주면서, 동시에 돌아가는 것 처럼 상호작용하는것이다.
• Scheduling Queues
  • time sharing을 하기 위해 스케쥴을 짜는 것. ready queue에서 cpu로 들어감.
  • i/o를 기다리는 경우 wait queue에서 기다리다가 완료 후 ready queue로 간다.
• Queue diagram
• 
• context switch
• 

Operation on Processes - 3.3

• process는 새로운 프로세스를 만들 수 있다.
  • 만든 프로세스 : parent process
  • 만들어진 프로세스 : child process
  • parent 와 child가 concurrently하게 실행하거나 parnet가 wait하는 동안 child가 돌아간다.
    

• Zombie and Orphan
  • zombie : wait호출 없이 부모 일하고, 차일드 남아 계속 일할 때
  • orphan : wait호출 없이 부모 종료했을 때, 차일드만 남아있는 경우

💡 메모리에 하나의 프로세스가 있다면, 이에 대한 정보를 담은 PCB가 CPU에서 context-switch되면서 동작함.
main.c → 컴파일 → a.out(= 프로그램, set of instruction) → os가 메모리를 잡아줌 → PCB생성

• fork() → 프로세스 생성 system call
  • parent의 address base를 그대로 복사하고 parent는 그대로 실행.
  • 혹은 child가 돌아가는 동안 가만히 있는다. → wait() → child가 종료되면 interrupt에 의해 ready queue로 이동한다.

💡 주로 쓰레드를 새로 만들지만, 프로세스를 이와 같이 만드는 이유?
P0와 전혀 다른 것을 하고 싶을 때, execlp()명령어를 하면 fork()로 똑같은 프로그램이 아닌 입력한 프로그램으로 새로 갈아끼워진다.

프로세스들이 concurrent하게 동작하기 위해서는 timesharing이 필요하고, PC, Register 등의 정보가 보존되기 위해서 context switch가 이루어져하며 이를 위해서는 동기화가 중요하다.

Inter-process Communication - 3.4

• 프로세스가 concurrently하게 실행되는 2가지 경우
  1. Independent processes : 공유하는 데이터가 없음
  2. cooperating processes : 데이터가 공유되는 등, 서로에게 영향을 줌
• IPC(Inter-Process Communication)
  • cooperating의 환경에서 문제를 해결하는 법.(서로 데이터를 공유하는 경우)
  • 두 가지 해결법
    • shared memory
    • msg passing → 운영체제에게 맡기는 경우IPC in Shared-Memory Systems -3.5
• Producer-Consumer Problem
  • ex) P : compiler, WS - C : assembler, browser
  • shared - memory 로 해결하기
    • 운영체제가 따로 관리해주는 메모리 영역
    • P가 buffer에 메모리를 채워놓고 C가 buffer에 있는 메모리를 사용IPC in Message-Passing Systems - 3.6
• scheme of using shared-memory의 문제
  • P와 C가 1대1이 아닌 경우, 프로그래머가 다 짜야함.
• Message - Passing
  • OS가 cooperating processes를 처리해준다.
  • send - receive만 있으면 된다.
• Communication Links
  • P(보내는자)와 Q(받는자)가 있을때, 2개의 system call만 적용(send, receive)
  • Direct
    • P와 Q가 명시적으로 Direct이면 automatically하게 C_Link가 생성. 1대1 방법
  • InDirect
    • Indirect이면 mailbox(port)가 공유되면서 link가 생성되며 N:M의 복잡한 링크 생성 가능. OS가 mailbox create, send&receive, delete mailbox 기능 제공해준다.
    • Blocking send, receive(synchronous) : receive 다 받을 때 까지 대기.
    • non Blocking send, receive(asynchronous) : 상대방 전송 안됬는지 확인 불가능함.
  • Synchronous or Asynchronous
  • Automatic or explicit buffering

Examples of IPC Systems - 3.7

• Shared Memory : POSIX Shared Memory
  • POSIX : Portable Operating System Interface
    • memory에 file을 mapping 시킴
    • fd = shm_open(~) → memory 생성
    • ftrimcate(fd, 2048) → memory 크기 설정
    • mmap(~) → file mapping
• Message Passing : Pipes
  • UNIX system에서 가장 많이 쓰이는 방법
  • unidirectional 방법
  • Ordinary pipes
    • 송수신자는 편의상 parent - child 관계를 가져야한다.
    • 2가지의 커뮤니케이션을 가지고 싶다면, 파이프 하나 더 생성하면된다.
    • 
  • Named pipes
    • pipes에 이름을 붙여주고 여러개의 파이프를 가지면, P-C관계가 없어도 된다.

Communication in Client-Server Systems - 3.8

• Socket
  • Ip_address로 각 Client Server를 Define하고Port로 Data를 주고 받음(TCP,UDP, Multiple recipients)
• RPCs(Remote Procedure Calls)
  • IPC가 서로 다른 컴퓨터에서 적용되는 경우를 RPC