[OS] 프로세스(Process) 와 컨텍스트 스위칭(Context switching)

1. Process 구성요소

• Code: text 코드
• Data: 변수/초기화된 데이터
• Stack: 임시 데이터(함수호출, 로컬변수 등)
• Heap: 동적으로 만들어지는 데이터 (malloc, new 등)

• PC (Program Counter) + SP(Stack Pointer)
• PCB: Process Context Block
• 프로세스가 실행중인 상태를 캡쳐/구조화 시켜서 저장

2. Context Switching

• CPU에 실행할 프로세스를 교체하는 기술
• 실행 중지할 프로세스 정보를 해당 프로세스의 PCB에 업데이트해서 Main Memory에 저장
• 다음 실행할 프로세스 정보를 Main Memory에 있는 해당 PCB 정보(PC, SP)를 CPU의 Register에 넣고 실행

• Dispatch : ready 상태의 프로세스를 running 상태로 바꾸는 것

3. Interrupt & Context Switching

• 프로세스 실행 중 인터럽트 발생
• 현 프로세스 실행 중단 (PCB 업데이트)
• 인터럽트 처리 함수 실행 (OS)
• 현 프로세스 재실행 (PCB 정보를 CPU에 Load)

• 프로세스 스위칭은 실제 nano sec 단위로 일어남
  • 컨텍스트 스위칭 동작
    • 프로세스1 PCB 정보를 메인메모리에 저장
    • 프로세스2 PCB 정보를 메인메모리에서 로드함

3.1 Compiler

• 초기 컴퓨터 프로그램들은 어셈블리어로 작성
  • 서로 다른 CPU Architecture가 등장할 때마다 매번 똑같은 프로그램 작성
  • 어셈블리어로는 프로그램 작성 속도가 매우 떨어짐
• 컴파일러 등장
  • CPU 아키텍처에 따라 컴파일러 프로그램만 만들면 기존 코드 재작성할 필요가 없음 그러나 어셈블리어로 작성한 코드보다는 속도가 떨어질 수 있음

4. IPC

4.1 Inter Process Communication

• 필요한 이유?
  • 성능을 높이기 위해 여러 Process 를 만들어서 동시 실행, Process 간 상태 확인 및 데이터 송수신 필요
• fork() 시스템 콜
  • Process 자신을 복사해서 새로운 프로세스로 만들 수 있음 (부모, 자식 프로세스)
  • Process를 fork()해서 여러 프로세스를 동시에 실행시킬 수 있음
    • CPU가 한 개일 때만 생각하지만, CPU안에 Core가 8개 가 되는 경우가 많고, 각 Process를 각 Core에 동시 실행 가능, 병렬 처리
• Example
  • 1 ~ 10000 까지 더하기
    • fork() 함수로 10개 process를 만들어서 1 ~ 1000, 1001 ~ 2000 .. 계산
    • 각각 더한 값을 모두 합하면, 더 빠르게 동작
    • 이때, 각 Process가 더한 값을 수집하기 위해 IPC가 필요

4.2 IPC 방법

1. file
    - 간단히 다른 프로세스에 전달할 내용을 파일에 쓰고, 다른 프로세스가 파일을 읽음
    - 파일을 사용하면 실시간으로 직접 원하는 프로세스에 데이터 전달이 어려움, 왜냐면 계속 실시간으로 파일을 읽을 수 없기 때문에
2. Message Queue
3. Shared Memory
4. Pipe
5. Signal
6. Semaphore
7. Socket

4.3 리눅스 프로세스

• 프로세스간 공간은 완전 분리
• 커널 공간은 공유

5. 스케줄링 알고리즘

1. FIFO 스케줄링 알고리즘 (배치 처리 시스템)
2. 최단 작업 우선 스케줄링 알고리즘 (Process 시간이 짧은 순)
3. 우선순위 기반 스케줄링 알고리즘
   • 정적 우선순위: 프로세스마다 우선순위를 미리 지정
   • 동적 우선순위: 스케줄러에 의해 동적으로 변경
4. Round Robin 스케줄링 (시분할 시스템 기반)

참고

펀코딩

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