02-Processes

CPU Virtualization

Running single CPU

Running Multiple process 방법들

Interleaving Multiple processes

Virtualizing the CPU

Process의 정의

실행중인 program의 instance
protection의 기본 단위
process가 process ID(PID)로 식별됨
process는 아래 것들을 포함하고 있음 ⇒ CPU context(registers) = program counter, instruction pointer .. ⇒ OS resources(address space, open files, etc..) ⇒ other information (PID ,state, owner, etc..)

Program에서 Process로

Process creation

Load program code into memory, into the address space of the process ⇒ Program은 처음에 executable format으로 disk에 reside하고있음 ⇒ OS는 process loading을 lazily하게 수행함 ( 한번에 필요한 코드를 다 불러오는 것이 아닌, 필요한 것만 그때그때 불러옴)
Program’s run-time stack is allocated ⇒ stack은 local variables, function parameters, return address를 관리 ⇒ main()의 argc, argv array로 stack를 초기화함
Program’s heap is created ⇒ dynamically allocated data를 관리함 ⇒ program은 such space를 malloc으로 요청하고 free로 해제함
OS는 다른 initialization task를 수행함 ⇒ I/O setup (each process 는 default로 stdin, stdout, stderr 세개의 file descriptors를 가짐
Program running 을 main()이라는 entry point에서 시작함 ⇒ OS는 CPU 제어권을 새로 생성된 process로 넘김

Process states

Running : process가 processor위에서 실행중임
Ready : process가 run할 준비는 되었지만 어떠한 이유로 OS가 run 할 process로 아직 선택하지 않았음
Blocked : process가 어떤 operation을 수행중임 ⇒ Process가 disk로 I/O request를 요청하면 blocked되고 이제 다른 process들이 processor를 사용할 수 있음

Process state tracing (CPU Only)

Process state tracing (CPU and I/O task)

Process termination

Normal exit (voluntary)
Error exit (voluntary) ⇒ error로 인해 exit(0)
Fatal error (involuntary) ⇒ segmentation fault (illegal memory access) ⇒ protection fault ⇒ exceed allocated resources, etc..
Killed by another porcess (involuntary) ⇒ signal을 받아서 (ex : Ctrl + C)
Zombie process : terminated but not removed

Implementing process

PCB(Process Control Block) or Process descriptor

Process에 대한 모든 information을 포함하고 있음 ⇒ CPU registers(processor context) ⇒ PID, PPID, process group … ⇒ CPU scheduling information ⇒ Memory management information ⇒ Accounting information ⇒ File management information ⇒ I/O status information ⇒ Credentials
Linux에서의 PCB는 task_struct 구조체

XV6의 proc structure

Process state Queues

OS는 system의 모든 process들의 state에 대한 collection of queues를 관리

Ready queue (or run queue) ⇒ [PCB] → [PCB] → [PCB]
Wait queue : event type마다 queue한개씩

각 PCB는 current state에 따라 state queue에 queueing됨

process의 state가 바뀌면, 그 process의 PCB는 다른 queue로 이주함

Context switch

CPU를 한 process에서 다른 process로 switch하는 행동

Administrative overhead

register와 memory map을 save & restore
memory cache를 flushing & reloading
다양한 table과 list updating

Overhead는 hardware support에 의존함

Multiple register sets
Advanced memory management techniques은 context switching을 위해 extra data를 요구함

Linux에서의 process creation

fork()

parent process를 cloning하여 새로운 process를 생성함 ⇒ parent는 대부분의 resource와 previleges를 상속함(open files, UID,..) ⇒ Child는 parent의 address space를 복제함
parent는 wait()으로 child가 끝나기를 기다리거나 parallel하게 실행가능
Shell 또는 GUI가 이런 system call을 내부적으로 수행함

exec()

현재 process image를 새로운 program으로 교체함
Window의 CreateProcess()는 fork()와 exec()의 조합

fork()

create & initialize new PCB
create & initialize new address space
address space를 parent의 address space의 전체 내용을 copy하여 초기화함
parent가 쓰는 resources를 가리키는 kernel resources 초기화(open files)
PCB를 ready queue에 배치시킴
parent에게는 child의 PID를, child process에는 0을 return 함

exec()

현재 process를 멈춤
새 program을 불러와 현재 process의 address space를 덮어씀
hardware context와 “args”를 새로운 program의 것으로 초기화함
PCB를 ready queue에 넣음
exec()은 새로운 process를 만들지는 않음
exec()은 return하지 않음.

Process hierarchy

Parent-child relationship

process 하나가 다른 process를 만들어 낼 수 있음
Unix는 hierarchy를 “process group” 이라고 부름
Windows는 process hierarchy에 대한 conecpt이 없음

Simplified Shell

Policy와 Mechanism

Policy

What should be done?
모든 resource 할당과 sceduling problems를 위해 Policy 결정을 해야함
ex : 다음에 수행할 process를 선택할 때

Mechanism

How to do something
The tool for implementing a set of policies
ex : 어떻게 여러 process를 한번에 수행하게 구현할까?

example for CPU virtualizing

Policy : 다음에 수행할 process는 어떻게 정할까?
Mechanism : 어떻게 구현할까?

Mechanism으로부터 Policy를 분리

operating system design의 핵심 원리임
Policy는 workloads에 따라 바뀜
general mechanism은 policy에서 분리되고 좀더 바람직함
좀더 modular OS를 만들 수 있게 함