04. process

Process

Process Creation

Cooperative multitasking

• 
• A 실행
• A가 yield() 호출
• kernel로 들어감
• 스케줄러가 다음 B를 실행시킴
• B가 yield() 호출
• 다시 OS가 개입하여 A 실행
• 즉, 프로세스의 협조 하에 CPU가 다른 프로세스로 넘어감. 문제는 A가 yield()를 안 하면 B는 실행하지 못할 수도 있다.

True multitasking

• 
• A 실행
• timer IRQ 발생
• kernel로 들어감
• 스케줄러가 B로 바꿈
• B 실행
• time IRQ 발생
• 다시 OS가 개입하여 A 혹은 다른 프로세스를 선택

Example

• 
• A 실행중
• A가 read() 호출
• kernel로 들어감
• kernel이 I/O 요청을 보냄
• 디스크는 느리기 때문에 바로 결과가 오지 않음 > A가 blocked가 됨
• CPU를 놀게 할 수 없으니 OS가 B를 실행시킴
• IRQ(I/O complete)가 들어오고 ready 상태로 돌아올 수 있게 됨
• 
• B가 돌다가 yield() 실행, OS가 context switch를 하고 다시 A를 실행시킨다

Process State Transitions

• 
• Created → Ready
• Ready → Running
• Running → Ready
• Running → Blocked
• Blocked → Ready
• Running → exit

Implementing Processes: PCB

• PCB(Process Control Block / Process Descriptor)
  • CPU registers
  • PID, PPID, process group, priority, process state, signals
  • CPU scheduling information
  • Memory management information
  • Accounting information
  • File management information
  • I/O status information
  • Credentials

Context switch

• CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 바꾸는 행위.
  • A가 실행 중이었음
  • 타이머 인터럽트가 들어옴
  • 이제 B를 실행하기로 결정함
  • A의 현재 레지스터 값 저장
  • A의 실행 상태를 PCB 같은 곳에 기록
  • B의 저장된 레지스터 값 복원
  • CPU가 이제 B를 실행

• overhead
  • administrative overhead = 실제 사용자 프로그램이 아니라, OS가 프로그램을 바꾸기 위해 드는 비용. 레지스터와 메모리 맵 저장/복원, 메모리 캐시 flush/reload, 여러가지 테이블과 리스트 업데이트 등이 필요하다.

Process APIs

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

int main()
{
	int pid;
	
	if ((pid = fork()) == 0)
	/* child: 부모 프로세스에서는 fork()가 0이 아닌 값, 즉 자식의 PID를 반환 */
	printf("Child of %d is %d\n"), getppid(), getpid());
	else
		/* parent: 자식 프로세스에서는 fork()가 0을 반환*/
		printf("I am %d. My child is %d\n", getpid(), pid);
	return 0;
}

% ./a.out
I am 31098. My child is 31099.
Child of 31098 is 31099.

% ./a.out
Child of 31100 is 31101.
I am 31100. My child is 31101.

• fork() 이후 동시에 runnable 상태가 되고, CPU를 누가 먼저 스케줄받느냐에 따라 출력 순서가 달라짐
• 부모/자식 둘 다 실행되며, 출력 순서는 결정되어 있지 않다. 따라서 동기화하지 않으면 실행 순서에 의존하면 안 된다.

Shell

• job control system; 프로그래머가 여러 프로그램을 실행하고 관리하게 해 주는 도구.

shell이 user-level에서 도는데, 각 프로그램을 실행하려면 어떤 system call이 필요할까?

• 프로세스 생성 필요

• 새 프로그램 적재 필요
• 파일에 쓰기 필요
• 필요하면 부모가 자식 기다리기 필요
  • 즉 shell은 내부적으로 fork(), exec(), wait() 같은 걸 써야 한다.

UNIX Process Management APIs

• fork()
  • 부모를 복제해서 새 프로세스를 만든다. 부모가 가진 자원가 권한을 자식이 이어받는다. 자식은 부모 주소의 공간도 복제한다.
  • 부모는 wait()으로 자식을 기다리거나, 병렬로 실행될 수도 있다.
• exec()
  • 현재 프로세스 이미지를 새 프로그램으로 교체한다. 새 프로세스를 만들지 않고 단순히 다른 프로그램으로 전환한다.
• exit(status)
• wait(&status

Process Termination

1. Normal exit (voluntary)
   • return 0
   • exit(0)
2. Error exit (voluntary)
   • return non-zero
   • exit(non-zero)
3. Fatal error (involuntary)
   • segmentation fault
   • protection fault
   • 자원 한도 초과 등
4. Killed by another process (involuntary)
   • 다른 프로세스가 signal을 보내서 종료되는 경우.

• zombie process
  • 프로세스는 이미 종료됐는데, 부모가 아직 wait()로 회수하지 않아서 PCB 같은 종료 정보가 남아 있는 상태.
• exit()
• kill()
• wait()

Simplified Shell

int main(void)
{
    char cmdline[MAXLINE];
    char *argv[MAXARGS];
    pid_t pid;
    int status;

    while (getcmd(cmdline, sizeof(buf)) >= 0) {
        parsecmd(cmdline, argv);

        if (!builtin_command(argv)) {
            if ((pid = fork()) == 0) {
                if (execv(argv[0], argv) < 0) {
                    printf("%s: command not found\n", argv[0]);
                    exit(0);
                }
            }
            waitpid(pid, &status, 0);
        }
    }
}

xv6: PCB

• xv6에서는 PCB 역할을 하는 struct proc가 proc.h에 있다

Performing Context Switch

• A 실행 중
• timer interrupt 발생
• 하드웨어가 A의 레지스터를 A의 kernel stack에 저장
• CPU가 kernel mode로 전환
• trap handler로 점프
• 커널이 trap 처리
• switch 루틴 호출
• A의 커널 문맥을 PCB(A)에 저장
• B의 커널 문맥을 PCB(B)에서 복원
• B의 kernel stack으로 전환
• return-from-trap
• 하드웨어가 B의 사용자 문맥 복원
• user mode로 돌아감
• B의 IP로 점프해서 B 실행 재개

Handling Interrupts

• 
• disk interrupt
• regs(A) 저장
• kernel mode 전환
• trap handler 진입
• IRQ 처리
• return-from-trap
• regs(A) 복원
• user mode 복귀
• A 계속 실행

Handling System call

• 
• trap 발생
• 레지스터 저장
• kernel mode로 진입
• trap handler
• syscall handler 호출
• 처리 후 return-from-trap
• 다시 A로 복귀

xv6: Context Switch

• struct trapframe

  • kernel mode 진입할 때 저장되는 사용자 상태
  • 즉 user registers 쪽

• struct context

  • 실제 context switch 때 저장되는 kernel-level 상태
  • scheduler 전환용

Process State Queues

• Ready queue (run queue)
  • 지금 당장 실행 가능하고 CPU만 기다리는 프로세스들.
• Wait queue(s)
  • 각 이벤트 종류별로 따로 존재.
    • disk I/O queue
    • keyboard I/O queue
    • mutex wait queue
    • timer/message wait queue

• scheduled 되면 ready queue에서 CPU로 감
• time slice expired면 다시 ready queue
• disk I/O 요청하면 disk queue
• keyboard 기다리면 keyboard queue
• mutex 기다리면 mutex wait queue
• interrupt/event completion이 오면 다시 ready queue
• exit하면 시스템에서 제거 방향으로 감

xv6: Disk I/O Queue

• 프로세스가 디스크 읽기 요청
• 바로 끝나지 않으면 wait queue로 block
• 디스크 인터럽트가 오면 커널이 완료 확인
• 해당 프로세스를 깨워 ready queue로 이동

xv6: Virtual Memory Layout

• uvm (user virtual memory)

  • allocuvm()
  • copyuvm()
  • loaduvm()
  • switchuvm()

• kvm (kernel virtual memory)

  • setupkvm()
  • switchkvm()

fork()

1. 새 PCB 생성/초기화
2. 새 주소 공간 생성/초기화
3. 부모 주소 공간 전체를 복사
4. 열린 파일 같은 커널 자원을 부모와 연결
5. 새 PCB를 ready queue에 넣기
6. 부모에겐 child PID 반환, 자식에겐 0 반환

exec()

1. 현재 프로세스 주소 공간을 지우고 대부분 자원 해제
2. 새 프로그램 prog를 현재 프로세스 주소 공간에 적재
3. 새 프로그램용 하드웨어 context와 인자 초기화
4. exec()는 새 프로세스를 만들지 않는다
5. “exec()가 반환한다는 건 무슨 뜻일까?” → 보통 실패했다는 뜻

IPC

1. Shared memory: 같은 메모리 영역을 함께 접근
2. Message passing: 메시지를 주고받는 방식