프로세스의 개념
- 실행중인 프로그램
- 프로세스의 문맥(
context)- CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
- 프로세스의 주소 공간
- 프로세스 관련 커널 자료 구조
PCB(Process Control Block) - 커널 주소공간(data)에 있음Kernel stack - 프로세스별 kernel stack
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컴퓨터 시스템 구조
- mode bit : 실행중인게 운영체제인지, 유저 프로그램인지 구분
- timer : 특정 프로그램이 CPU를 독점하지 못하게 timer 값을 설정한 다음에 CPU 할당
- 운영체제는 CPU를 선점할 수 없음.. CPU가 자원을 할당할 때 설정하는 timer로 switching 되는 것..
- interrupt line : 매 instruction이 끝나면 interrupt line 확인
- interrupt가 들어오면 CPU가 운영체제로 넘어감
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운영체제란?
- 컴퓨터 하드웨어 바로 위에 설치되어 사용자 및 다른 모든 소프트웨어와 하드웨어를 연결하는 소프트웨어 계층
- 좁은의미(커널) : 운영체제의 핵심 부분으로 메모리에 상주하는 부분
- 넓은의미 : 커널 뿐 아니라 각종 주변 시스템 유틸리티를 포함한 개념
운영체제의 목적
- 컴퓨터 시스템의 자원을 효율적으로 관리
- 프로세서, 기억장치, 입출력 장치 등의 효율적 관리
- 사용자간의 형평성 있는 자원 분배
- 주어진 자원으로 최대한의 성능
- 사용자 및 운영체제 자신의 보호
- 프로세스, 파일, 메시지 등을 관리
- 컴퓨터 시스템을 편리하게 사용할 수 있는 환경 제공
- 운영체제는 동시 사용자/프로그램들이 각각 독자적으로 컴퓨터에서 수행되는 것 같은 환상을 제공
- 하드웨어를 직접 다루는 복잡한 부분을 운영체제가 대행
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운영체제가 개입하는 가상 메모리 관련 기술들
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Memory Management
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Memory Management
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Unix Concurrency Mechanism
- Pipes
- FIFO queue, 한 프로세스가 쓰고, 다른 프로세스가 읽음
- 실제 구현은 circular buffer, producer-consumer 모델
- ex)
ls | more, ps | sort etc
- Messages
- 유닉스는 메시지 패싱을 지원하기 위해
msgsnd, msgrcv 시스템콜을 지원함 - 메시지는 바이트들의
block
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Deadlock
- 하나 이상의 프로세스들이 다른 블락(blocked)된 프로세스가 trigger 할 수 있는 어떤 이벤트 혹은 리소스를 기다리고 있는 상황
- 리소스(resource)?
Reusable resource- 한번에 하나의 프로세스에서만 안전하게 사용될 수 있는 자원(소모되지 않음)
- e.g)
processors, memory, I/O devices, files, databases, semaphores
Consumable resource- 생성되거나 소모될 수 있는 자원
- e.g)
interrupts, signals, messages, data in I/O buffers
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Message passing
- 가장 일반적이고 쉬운 방법
- Mutual exclusion, Synchroniztion 뿐만 아닌 Communication 또한 가능
- 실제 동작?
send(des, msg)receive(src, msg)sender와 receiver는 blocking이 될수도, nonblocking이 될수도 있음- blocking send / blocking receive (rendezvous - 둘 다 기다림)
- nonblocking send, blocking receive (가장 일반적임)
- nonblocking send, nonblocking reveive
Addressing : sender와 receiver를 어떻게 특정할 것이냐?Direct addressing : receiver의 id를 명시해둠- direct addressing일 때 receiver는 다음 두 가지 방식으로 처리 가능
- Explicit addressing
- sender가 본인을 명시적으로 보내도록 함 designate
- cooperating 하는 concurrent process에서 효율적인 방식
- Implicit addressing
- receive 할 때 sender의 id가 반환됨
Indirect addressing : 특정 receiver에게 보내는 것이 아닌 mailbox에 넣어둠
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Producer / Consumer problem ?
- 하나 이상의 Producer가 데이터를 생성하고 버퍼에 넣음
- 하나의 Consumer가 버퍼로부터 데이터를 가져와서 소비함
- 한번에 하나의 Producer 또는 Consumer만 버퍼에 접근이 가능함 (race condition이 가능하기 때문에)
- 문제점?
- Producer가 이미 다 찬 버퍼에 데이터를 삽입하지 않도록 보장해야 함
- Consumer는 빈 버퍼로부터 데이터를 가져오는 요청을 하지 않도록 보장해야 함
- semaphore를 이용하여 이런 상황에서의 synchronization 또한 가능함
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Competing Processes
- Sharing a global resources? 다음 문제가 발생 가능
- Need for mutual exclusion
- Deadlock
- Starvation
- Mutual Exclusion?
- 상호 배제
- 한번에 한 프로세스만 리소스를 사용하도록 제한하는 것
- Critical Section을 한 프로세스만 진입하도록 보장해야 함
- 데커알고리즘
- 간단하게 처리하는 방법?
- 임계 영역에 들어갈 때 interrupt를 disable, 나올 때 enable
- 프로세서가 한 개일 때만 가능
- 멀티 프로세서일 때는 왜 안되냐?
- 다른 프로세스가 다른 프로세서에 dispatch 되어서 critical section에 들어갈 수 있음
- Key terminolody
- Atomic operation
- 여려 개의 명령어를 하나의 실행 단위로 묶음 (나눌 수 없음)
- All or nothing
- HW-level atomic operations
- test-and-set, fetch-and-add, compare-and-swap, load-link/store-conditional
- SW-level solutions
- 결과는 success / failure
- Critical Section
- 공유 자원에 접근하는 프로세스의 코드 영역으로 반드시 한 프로세스만 해당 자원에 접근할 수 있도록 보장되어야 하는 영역
- Mutual Exclusion
- 어떤 한 프로세스가 공유 자원에 접근하는 크리티컬 섹션에 있을 때, 필요로 하는 자원을 다른 프로세스가 점유(크리티컬 섹션)하지 못해야 함
- Race condition
- 공유 자원에 대해 여러 프로세스가 read/write를 할 때 실행 결과가 프로세스들 간의 interleaving에 따라 달라짐
- 그러면 실제로 critical section을 어떻게 구현하냐?
- Special machine instructions (하드웨어적으로 지원)
- 두 개의 명령어를 하나로 처리함 (reading and writing on single memory location)
- Test-and-set, fetch-and-add, compare-and-swap etc
- Test-and-set이 대부분 일반적임
- x86, IA64, SPARC, IBM z serices etc.
- 멀티코어 환경에서도 사용될 수 있음
- 문제점?
- busy waiting
- 자원이 release될 때까지 test-and-set 반복해야 함
- deadlock and stravation 가능
- 장점?
- 프로세스, 프로세서의 개수와 상관 없이 크리티컬 섹션 구현 가능
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Thread?
- User-Level Thread
- 애플리케이션이 쓰레드를 관리(생성, 소멸, 스케줄링)
- 커널은 쓰레드 존재 여부를 알지 못함
- 장점
- 커널 권한을 요구하지 않기 때문에 context switching이 빠름
- 스케줄링 알고리즘을 커널과 독립적으로 구성 가능
- 기존 OS와 상관 없이 작동 가능, 하위 커널에 독립적
- 정리 : concurrent processing, fast response, multiprocessing, resource sharing
- 단점
- 특정 쓰레드가 시스템콜을 호출할 경우 block되어서 모든 쓰레드도 멈춤
- 따라서 시스템콜을 호출할 땐 장점을 활용 못함
- 또한 멀티 쓰레드라고 하더라도 한 프로세스엔 하나의 프로세서만 할당 가능, 따라서 장점을 완전히 활용은 불가능
- Kernel-Level Thread
- 커널이 쓰레드 생성, 소멸, 관리
- 장점
- 하나의 쓰레드가 시스템콜을 호출해서 block되어도 다른 쓰레드는 실행 가능(concurrency & parallel)
- OS Kernel 자체도 멀티쓰레딩 가능 - 효율이 좋아짐
- 단점
- Context switching 오버헤드가 큼 (커널 레벨로 계속 들어감)
- 쓰레드 생성 오버헤드가 비교적 큼(커널 레벨로 들어가야 하기 때문) : 유저레벨 쓰레드의 10배
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Interrupt / Exception : 둘 다 예외적인 상황
- Interrupt :
- 외부적인 이벤트, 현재 CPU에서 실행되는 프로세스와 상관 없음
- keyboard interrupt, Direct Memory Access 후 완료를 CPU에게 알리는 상황
- asynchronous(언제 발생할지 모름), external events
- 인테럽트가 발생하면 현재 프로세스의 상태를 저장, 인테럽트 핸들러 실행 후 복구
- 프로세서의 인테럽트 핀이 설정됨
- #INT
- #NMI (Non-maskable interrupt) : 우선순위가 #INT 보다 높음 (interrupt disable도 무시)
- examples
- I/O interrupt
- 키보드 ctrl + c 입력, 키보드 입력
- 네트워크 패킷 수신
- DMA(Direct Memory Accessing) 완료
- Hard reset interrupt : reset 버튼 누르기
- Soft reset interrupt : ctrl + alt + delete
- 정리
- 명령어 실행
- interrupt 핀 확인
- system bus의 interrupt vector 확인
- interrupt vector code 실행 (control transfer)
- handler returns to next instruction
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프로세스?
- 실행중인 프로그램의 한 인스턴스
- 프로그램은 디스크에 저장된 실행 파일, 이게 실행이 되면 프로세스
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운영체제?
- 하드웨어와 애플리케이션 사이에 있는 시스템 소프트웨어
- 목적?
- 사용을 편하게 - Low-level 하드웨어를 조작할 수 있는 간단한, 통합된 인터페이스 제공
- 공유 - 하드웨어 자원을 여러 프로세스/사용자가 공유할 수 있도록
- 보호 - 하드웨어를 잘못된 사용으로부터 보호함
- Key Interfaces
- ISA (Instruction Set Architecture) : x86, ARM, MIPS (Machine Language)
- ABI (Application Binary Interface)
- API (Application programming interface)
- CISC (Complex Instruction Set Computer)
- 복잡한 명령어 집합
- 명령어의 수가 많음
- 80년대 중반까지 사용 (x86, VAX)
- RISC (Reduced Instruction Set Computer)
- 간단한 명령어 집합
- 적은 수의 명령어
- 80년대 이후의 대부분의 아키텍처에 적용
- ex) PowerPC, Alpha, SPARC, IA64, ARM
- Revolution of OS (순서대로)
- Serial Processing
- Turing Machine (1936)
- 새로운 수학적인 컴퓨팅 모델
- 현대 컴퓨터의 이론적인 배경
- 현존하는 모든 컴퓨터는 튜링 머신의 Subset
- Bombe(1940)
- 독일 에니그마를 해독하기 위해 만들어진 최초의 전자식 컴퓨터
- Colossus(1943)
- 1세대 Programmable Digital Computer (Hard-wired Programming)
- ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)
- Simple Batch Systems
- Monitor
- 사용자가 작업(job)을 카드 또는 테이프에 작성한 후 제출 - 순서대로 처리
- 모니터란 프로그램은 메모리에 상주, 인풋을 하나씩 처리함
- 프로세서에 비해 입출력이 굉장히 느리기 때문에 idle한 상태가 오래 지속됨 - 비효율
- Multiprogrammed Batch Systems
- I/O를 기다리지 않고 그 시간에 다른 작업(job)을 처리함
- Processor Utilization이 좋음
- 자신의 작업을 처리하기 위해 이전의 작업을 기다려야 함
- Time Sharing Systems
- 여러 사용자가 동시에 하나의 컴퓨터를 사용 가능
- 각 사용자가 기다리는 response time이 줄어듬 (Minimizing Response time is more important than maximizing throughput )
- Time slice / Round Robin
- Context Switching
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