프로세스의 스케쥴링과 연산

프로세스 스케쥴링

프로세스 스케쥴러

어떤 프로세스를 선택할지 고를 때, 그 기준이 있다.

CPU 이용을 최대화하기 위해 프로세스를 실행되도록 함. = 다중 프로그래밍
실행되는 다양한 프로그램끼리 연동될 수 있게 프로세스들 사이에서 CPU 코어를 빈번하게 교체 = 시간 공유

이를 달성하기 위해 프로세스 스케쥴러라는 것이 등장.

1 코어 = 1 프로세스만 실행가능. (다중 코어는 한 번에 여러 개 실행 가능)

따라서, 코어 < 프로세스면 어떠한 프로세스는 기다려 함.

현재 메모리에 있는 프로세스 = 다중 프로그래밍 정도(degree of multiprogramming)

다중 프로그래밍과 시간 공유의 목표를 동시에 달성하려면 프로세스의 일반적인 동작을 고려해야 한다.

일반적으로 대부분의 프로세스는 I/O 바운드 프로세스와 CPU 바운드 프로세스로 | 나눌 수 있다.

I/O 바운드 프로세스 : 계산 시간 < 입출력 시간
CPU 바운드 프로세스 : 계산 시간 > 입출력 시간

스케쥴링 큐

프로세스들을 저장하는 공간이라고 할 수 있다.

프로세스가 어떻게 작동하는지를 스케쥴링 큐와 엮어서 보자.

프로세스가 시스템에 들어가면 준비 큐에 들어간다.
프로세스가 실행된다.
실행 중 어떠한 이벤트가 발생하면, 그 이벤트를 위한 대기 큐에 들어간다.
이벤트가 이뤄지면 다시 준비 큐로 들어간다.
종료될 때까지 이 과정을 반복한다.

종료되면 모든 큐에서 제거 후 PCB 및 자원이 반환.

즉, 프로세스는 실행되는 동안 대기 큐와 준비 큐를 왔다갔다 한다.

CPU 스케쥴링

그럼, 준비 큐에 있는 프로세스들 중 어떤 걸 CPU에 넣어야 할까?

이를 결정해 주는 것이 CPU 스케쥴러의 역할이다.

I/O 바운드 프로세스 : I/O 요청 대기를 위해 몇 밀리초 동안만 실행.

CPU 바운드 프로세스 : 오랜 시간 동안 실행이 필요. 단, 너무 오래 붙들어선

안되므로 적어도 100밀리초마다 한 번씩 실행.

일부 운영체제는 스와핑이라는 기능을 가지고 있다.

메모리가 거의 꽉 차려고 할 때 보통 이 기능을 사용한다.
프로세스를 메모리에서 제거한 뒤(스왑아웃), 나중에 다시 적재(스왑인)한다.
- 중단된 위치에서 계속 실행하면 된다.

문맥 교환 (context switch)

인터럽트가 발생하면, 현재 돌아가는 프로세스를 잠깐 CPU에서 빼야 한다.

이때 그 프로세스의 정보를 저장하고, 새 프로세스의 보관 상태를 복구해야 한다.

이 작업을 문맥 교환이라고 한다.

인터럽트 발생

프로세스1 저장

(유휴상태)

프로세스1 복구

인터럽트 발생

(유휴상태)

프로세스2 복구

인터럽트 처리

프로세스2 저장

(유휴상태)

프로세스1 저장과 프로세스2 복구가 일어나는 시간을 문맥 교환 시간이라고 한다.

이 시간 동안 시스템은 아무것도 할 수 없으므로, 이는 순수한 오버헤드이다.

pcb 중 레지스터에 그 정보를 저장
교환속도는 메모리 속도, 레지스터 수, 특수 명령어 등에 따라 달라진다.
전형적인 속도는 수 마이크로초까지 분포되어 있다.
즉, 하드웨어의 지원에 크게 좌우된다는 뜻!

일부 프로세서는 여러 개의 레지스터의 집합을 제공.
- 문맥 교환은 현행 레지스터 집합의 포인터 변경을 포함
- 물론 레지스터 집합들보다도 활성 프로세스들이 더 많다면, 시스템은
전처럼 레지스터 자료를 메모리로 또는 메모리에서 복사해야 함.

운영체제가 복잡해질수록, 문맥교환 시 해야 할 작업량이 많아짐.

프로세스의 연산

프로세스 생성

인제 직접 프로세스를 만들고, 종료해보는 기법을 알아보자.

프로세스는 여러 개의 프로세스를 낳을 수 있다.

우리는 이 둘을 부모 프로세스, 자식 프로세스로 구분한다.

유닉스나 윈도우에서는 프로세스 식별자를 이용해 프로세스를 구분한다.

이는 보통 정수이다.
pid는 각 프로세스에 고유한 값을 가지도록 할당된다.
이 식별자를 통해 프로세스에 접근할 수 있다.

프로세스 트리

리눅스에서 프로세스는 다음처럼 실행된다.

즉, 전원이 켜지면 systemd가 실행되고, 뒤이어 logind가 실행되고…

이러한 그림을 프로세스 트리라고 한다.

터미널에서 실제로 이걸 보고 싶다면..

ps -el 명령어를 친다.
pstree 명령어를 친다.

부모와 자식

부모 프로세스는 자식 프로세스를 낳을 때 다음과 같은 일을 한다.

자식 프로세스의 임무 달성을 위한 자원을 나눠주거나, 같이 쓸 수 있게 한다.

(물론 운영체제로부터 직접 얻어올 수도 있다.)
자식 프로세스가 자원을 너무 많이 쓰지 않게 하거나, 너무 자식 프로세스가

많이 생기지 않도록 한다.
초기화 데이터(입력)을 전달할 수 있다.

부모 프로세스와 자식 프로세스가 실행되는 데도 방법이 있다.

부모 프로세스와 자식 프로세스를 같이 실행한다.
부모 프로세스가 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다린다.

이걸 저장공간의 측면에서 살펴보자.

자식 프로세스 = 부모 프로세스의 복사본
자식 프로세스는 자신에게 적재될 새 프로그램을 가지고 있다.

리눅스에서의 예시

#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	pid_t pid
	
	pid = fork(); // fork를 실행하면 이 코드가 옆에 하나가 더 뜬다고 생각하자.
	if (pid < 0)
	{
		fprintf(stderr, "Fork Failed");
		return 1;
	}
	else if (pid == 0) // 자식이면 여기로
		execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
	else // 부모면 여기로
	{
		wait(NULL);
		printf("Child complete");	
	}

	return 0;
}

자식 프로세스 낳기 : fork() 를 사용한다.
- 자식 프로세스 = 원래 프로세스의 주소 공간의 복사본
  
  이를 통해, 자식과 부모가 쉽게 통신할 수 있다.
- 자식의 식별자(pid) ≠ 부모의 식별자(pid)
- 자식 pid = 0, 부모 pid > 0
자식은 exec()를 써서 자신의 메모리 공간을 새 프로그램으로 교체
- 여기서는 exec()의 한 버전인 execlp()를 사용했다.
- 다만, 꼭 교체를 할 필요는 없다.
부모가 기다려야 할 경우 wait()을 쓴다.

프로세스 종료

프로세스 종료하기 : exit()

프로세스는 보통 exit()을 통해 자신의 삭제를 요청한다.

이 시점에서 프로세스는 자신을 기다리고 있는 부모 프로세스에게 자신의 상태 값을 반환할 수 있다.

프로세스의 모든 자원이 할당 해제되고, 운영체제로 반납된다.

프로세스 종료하기 : 시스템 콜

특정한 시스템 콜을 통해서도 프로세스를 종료할 수 있다.

이러한 시스템 콜은 종료될 프로세스의 부모만이 호출할 수 있다.

이러한 강제종류는

자식이 부모에게 할당된 자원을 초과해서 사용했을 때

(물론, 자식 상태를 검사할 방편이 주어져야 한다.)
자식에게 할당된 태스크가 더 이상 필요 없을 때
부모가 exit을 하는데 운영체제가 부모 없는 자식 프로세스를 허락하지 않을 경우

이러한 것을 연쇄식 종료(cascading termination)이라고 하며, 운영체제가 담당한다.

부모 없는 자식 : 좀비와 고아

보통은 부모 프로세스가 wait()를 통해 자식 프로세스가 종료할 때를 기다린다.

status에는 어느 자식이 종료되었는지 알 수 있게 식별자가 들어간다.

pid_t pid;
int status;

pid = wait(&status);

만약, 부모 프로세스가 wait()를 실행하지 않고 그대로 종료되어 버린다면 어떻게 될까?

종료되었지만 부모가 아직 wait() 호출을 하지 않은 프로세스를 좀비 프로세스라고 한다.
이 경우 wait()를 호출하면 해당 프로세스의 식별자와 프로세스 테이블의 해당 항목이 운영체제에 반환된다.
부모가 wait()도 안한 상태에서 종료되어 버린다면, 이때의 자식 프로세스를 고아 프로세스라고 한다.
유닉스는 고아 프로세스에게 새 부모 프로세스로 init 프로세스를 지정한다.
리눅스는 init을 systemd로 대체.