Process Description and Control 2

Process Description and Control 2

1. Modes of Execution

• 2개의 모드를 지원한다.
  • mode bit 이용
• 일부 명령어들은 커널에서만 실행가능하다.
  • 인터럽트 관리
  • I/O 명령
  • 메모리 관리 / page table, TLB load
  • mode bit 변경

2. Mode switch

유저모드와 커널모드간 변경을 이야기한다.

• 프로세스의 상태 변경 없이 수행한다.
• context를 저장하고 복구하는데 오버헤드가 있다.
  • 커널 스택에 저장
• system call, exception, interrupt 가 발생시 커널 모드로 변경된다.

Mode of Execution

1. system call이나 exception 실행
   • 커널이 프로세스 대신하여 실행중이다.
   • process context에 존재한다.
2. interrupt handler 실행
   • 프로세스와 관련이 없다. 즉 방해하는 것이다.
     • 빠르고 간단하게 수행되어야 한다.
   • 커널이 interrupt context에 존재한다.
     • sleep 하면 안된다. 복잡해진다.
     • in_interrupt() 함수로 인터럽트 컨텍스트에 있는지 확인가능

정리하면 프로세서는 3가지 중 하나를 하고 있다.

• 유저 공간에서 유저 코드 실행
• 커널 공간에서 프로세스 문맥 대신 실행
• 커널 공간에서 인터럽트 문맥 실행

3. Execution Model of OS

기존에는 모든 프로세스 외부에서 커널을 수행했다. 하지만 요즘에는 프로세스 문맥에서 운영체제를 실행한다.

• 장점
  • 현재 프로세스에서 커널 기능이 수행된다.
  • 프로세스 스위치 없이 모드 스위치하면 된다.

• Execute all OS function in the context of a current process
  • 프로세스 이미지가 커널의 스택, 데이터, 코드를 포함한다.
    • data, text는 유저 프로세스간 공유된다.
  • 커널 스택이 분리되어 존재한다.

멜트다운과 KPTI에 관해 추가로 알아보자

4. Process Switch

언제 발생하냐?

1. 인터럽트
   • 이벤트가 완료되어 ready 상태 프로세스를 실행시키거나 우선순위가 높은 프로세스가 선점할때
   • 타이머 인터럽트로 인해 time slice를 모두 사용했을때
2. 예외
   • 문제가 생겼을 때 종료 시킨다.
     • exit state로 전환
3. 시스템 콜
   • write나 read 같은 I/O 요청 명령으로 blocked 됬을때

어떻게 작동하냐?

모드 스위치보다 많은 노력이 필요하다.

• 현재 프로세서의 문맥을 현재 프로세스 PCB에 저장한다.
• PCB에 프로세스 상태를 업데이트 한다. ( ready, blocked, exit )
• PCB를 적절한 큐로 이동한다.
• 다른 프로세스를 선택한다. ( schedule )
• 선택된 PCB의 프로세스 상태를 running으로 바꾼다.
• 프로세서 문맥을 선택된 프로세스의 저장된 문맥으로 복구한다.

캐시 지역성을 날려버린다.

5. 프로세스 생성 (Directed)

프로세스 생성 이유

• 새로운 일괄 처리 작업
• 대화형 로그온 (?? 아마 터미널로 유저가 실행하는 듯)
• 서비스 제공을 위해 운영체제가 생성
• 기존 프로세스가 생성 (모듈화, 병렬성을 위해)

생성 방법

1. 새로운 메모리 공간 할당
   • PCB와 a.out을 위한 공간
2. 코드와 데이터를 메모리로 가져온다.
   • call stack을 만든다.
3. PCB 초기화
4. 새로운 프로세스 실행
   • 프로세스를 ready list에 넣는다.

처음 프로세스를 만들때만 직접 만든다. 이후부터는 clone한다.

• /sbin/init
• systemd

5.1. 프로세스 생성 (cloning)

cloning

• 부모 프로세스를 완전히 복사한다.
  • 환경변수가 비슷함을 볼 수 있다. (bash -ps)
• fork를 이용한다.
  • text, data, stack, PCB를 복사
    • data, stack은 별도로 만듬
    • text 같이 read only는 공유한다.
  • pid랑 일부 관계 데이터를 수정
  • 새로운 PCB를 ready list에 추가

replacing

• pid는 유지되나 code, data, heap, stack을 바꿔버림
• execve 이용한다.

5.2. Copy on Write

• 초기 부모의 페이지는 자식에게 공유된다.
• 둘 중 누군가 공유된 페이지를 바꾸면 OS는 copy한다.
  • 더 이상 그 페이지를 공유하지 않는다.

6. Process Termination

Voluntary termination : exit(status)

• main에서 return 되면 발생 ( 아마 exit 자동호출 )
• exit 를 불러서 종료한다.
• output data가 부모로 간다. (wait 이용)
• 프로세스의 자원이 해제된다.

Involuntary termination

• 다른 프로세스(부모)나 OS에 의해 수행
• kill, abort
• 특정 시그널 받으면 종료
  • SIGTERM, SIGINT

왜 죽이냐?

1. 불필요
2. 잘못 실행
   • 논리, 자원, 시스템적인 이유
3. OS 정책
   • ex) 부모 죽으면 밑에 자식도 죽이자.

6.1. Zombie

• 프로세스가 exit으로 종료된 후, 커널은 해당 프로세스의 PCB를 바로 지우지 않는다.
  • 이후 당연히 run은 안됨
  • reaped 될 때까지 존재
  • 좀비 모드임

Reaping

• exit status가 부모에게 전달된다.
  • wait(&state) 에서 state에 exit status가 담김
  • 이후 커널은 좀비 자식을 죽인다.
• 부모가 wait을 이용해 수행한다.

실행 옵션

• wait을 사용하면 부모는 기본적으로 blocked된다.
• 안쓰면 동시에 돌아가나 좀비가 남는다.
  • 커널 reaper가 회수하고 다니기도 한다.
• waitpid(-1, &status, WNOHANG) 같은 옵션을 사용하면 동시에 작업을 하며 주기적으로 reaping할 수 있다.

7. Orphan (Unix like OS)

고아

• 자식보다 부모가 먼저 죽음
• first process에 입양된다. /sbin/init

프로세스 종료 과정

• cleanup handlers가 자동으로 call됨
• Zombie 상태로 바꾸고 exit status가 커널에 저장됨
• 프로세스가 잡고있는 시스템 자원을 해제한다.
• 부모에게 시그널을 보냄
• 고아 자식들을 부모에게 입양시킨다.