윈도우즈 시스템 프로그래밍 5장-세션 1,2,3

시작 전 소개

1챕터 정리본 바로가기
2챕터 정리본 바로가기
3챕터 정리본 바로가기
4챕터 세션1 정리본
4챕터 세션 2 정리본

프로세스의 이해

프로세스란 실행 중에 있는 프로그램을 의미한다.
.exe파일을 실행하여 램에 할당이 이루어지고, 이 메모리 공간으로 바이너리 코드가 올라가는 순간부터 프로그램은 프로세스라고 불리게 된다.
그렇다면 멀티 프로세스 운영체제란 무엇일까?
간단하게 설명하면 둘 이상의 프로세스가 존재할 수 있는 운영체제라는 뜻이다.
카카오톡을 켜놓고 인터넷 익스플로어를 실행시킨다거나 하는 작업등이 가능한 것은, 윈도우가 멀티 프로세스 운영체제이기 때문이다.

프로세스 구성의 요소

참고로 위 그림과 같은 메모리 구조는 실행되고 있는 프로세스 개수만큼 실행된다.

code영역

프로그램 실행을 하면, 실행파일 내에 존재하는 명렁어가 메모리상에 올라가서 순차적으로 처리된다.
이때 명령어가 올라가는 메모리 영역이 바로 코드 영역이다.

DATA영역

전역변수나 static 변수의 할당을 위해 존재

STACK

지역변수 할당과 함수 호출 시 전달되는 인자값들을 저장하는 영역

Heap

malloc나 calloc함수에 의해 이루어진 동적할당을 위해 존재하는 곳이 힙 영역이다.

레지스터 셋

레지스터는 임시의 저장공간이다.
레지스터는 프로그램이 실행되면 메인메모리(램)의 내용을 CPU로 가져와서 저장한 뒤 alu로 보내 필요한 연산을 하거나 메인메모리로 정보를 보내는 등의 일을 할 때 필요하다.
따라서 레지스터의 상태 역시 프로세스의 일부로 포함시켜 말할 수 있다.

프로세스의 스케줄링과 상태변화

프로세스의 스케줄링

기본원리: CPU는 하나인데 여러개의 프로세스가 실행가능한 것은 CPU가 아주 빨라서 할당 시간을 나누면서 작동하기 때문이다.
이 과정에서 CPU자원을 어떻게 공정하고 효율적으로 할당하는가가 바로 스케줄링의 목적이다.
간단 설명: CPU할당 순서 및 방법을 결정짓는 일->스케줄링/이때 사용되는 알고리즘->스케줄링 알고리즘
이 알고리즘을 적용하여 실제로 프로세스를 관리하는 운영체제 모듈->스케줄러(소프트웨어적으로 구현)

멀티 프로세스에 대해서

◼고전적 방식
A를 실행시키고 A가 완전히 종료되면 B를 실행
B가 완전히 종료되면 C를 실행시키는 방식으로 우리가 실행해야할 일을 순차적으로 실행시킨다.
◼동시 실행 방식
A,B,C를 모두 실행시키고 운영체제의 스케줄러에 의해 프로세스들이 관리되도록 한다.
CPU의 실행시간을 나눠 할당받아 실행하는 형태가 된다.
과연 어떤 것이 효율적일까?
일반적인 경우 입출력이 종료되면 그에 대한 화면을 실행하는 고전적 방식이 효율적이라고 생각될 수 있다.
그러나, 하나의 업무가 아닌 여러 개의 업무를 해야하는 상황이라면 동시 실행 방식을 통해 사용하는 프로세스만 실행시키고, 그렇지 않은 프로세스는 대기 하는 것이 효율적일 확률이 크다.

고전적 방식의 장단점

장점1.간단하게 예측이 가능하다.
한번에 하나만 작업하기 때문에 예측이 쉽게 가능하여, 디버깅이 용이하다.
장점2.자원충돌 가능성의 최소화
하나의 작업이 완전히 종료되어야 그 다음 작업이 실행되기 때문에, 자원간의 충돌 가능성을 최소화할 수 있다.
단점1.실행시간의 증가
전체작업이 종료될 때까지 기다려야 하므로 전체 처리 시간이 증가할 수 있다.
단점2.자원 활용이 낮다.
다음 작업이 시작될 때까지 기다리는 동안 다른 자원은 놀고있게 되므로 자원의 활용도는 낮아진다.

동시 실행 방식의 장단점

장점1.자원 활용의 최적화
여러 작업을 동시에 실행하므로 자원을 최대한 활용할 수 있다.
(물론 우선순위 스케줄링 어떻게 하느냐에 따라 정도는 달라질 수 있다)
장점2.응답시간 단축
하나의 작업이 끝나지 않아도 다른 작업이 진행되므로 응답시간의 단축이 가능하다.
단점1. 동기화와 상태 관리의 어려움
여러 작업이 동시에 실행되기 떄문에 실행 여부를 알기 어려울 때가 생길 수 있다.
따라서 개발 시 신경써야 될 부분이 늘어난다.
단점2. 교착상태
공유 자원에 대한 요구가 엉켜 무한대기가 발생할 수 있다.
단점3. 레이스 컨디션
두 개 이상의 프로세스 혹은 스레드가 자원을 서로 공유하려는 과정에서 문제가 발생할 수 있다.

프로세스의 상태 변화

멀티프로세스 운영체제는 시간의 흐름에 따라 프로세스의 상태가 계속해서 변화한다.

단계 1: Start->Ready

프로세스는 생성과 동시에 Ready즉 준비 상태로 들어간다.
여기서 준비 상태란 말 그대로 스케줄러에 의해 선택 받아 running이 되기 위한 준비를 하는 것을 의미한다.
준비 상태일 때에는 CPU에 할당을 기다리다가 스케줄러에 의해 선택되면 CPU의 할당을 받아 실행 상태로 전환된다.

단계2: Ready->Running

스케줄러는 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나를 골라(스케줄링 알고리즘에 기반을 두고) CPU에 의해 실행되도록 한다.

단계3 Running->Ready

프로세스의 운영상태에 따라 현재 작동중인 프로세스를 준비 상태로 바꾸는 경우도 있다.
예를 들어 새로 올라온 프로세스가 현재 작동중인 프로세스보다 우선순위가 높다면
일반적으로 현재 작동중인 프로세스는 준비상태로 돌아가서 새로 올라온 프로세스가 실행 종료되기를 기다리게 된다.
뿐만아니라 입출력 요청, 자원 부족등을 이유로 프로세스가 준비 상태로 돌아가기도 한다.

단계4 Running->Blocked

실행중에 있는 프로세스가 실행을 멈추는 상태로 들어가는 것
일반적으로 데이터 입출력은 프로그램의 상당 시간을 소모한다.
따라서 이 시간동안에는 입출력인 프로세스는 Block상태로 만든 뒤 ready상태에 있는 프로세스는 하나를 실행시킨다.
예를 들어 A가 파일출력을 하는 상황이 된다면, Block을 하고 파일을 출력하는 상태로 변하고 준비 상태이던 B는 Running의 단계에 돌입하게 된다.

단계5 Blocked->Ready

block상태와 ready 상태의 가장 큰 차이가 무엇일까?
스케줄러에 의해 선택받을 수 있는 가능성 유무이다.
block상태는 스케줄러에 의해 선택 받을 수 없는 상태이며 상황에 따라서는 프로그램 종료 상태에 들어갈 수도 있다.
그에 비해 ready상태는 자신의 순위가 돌아오면 언제든 스케줄러에게 선택을 받는 것이 가능하다.
따라서 프로그램이 종료되어야 하는 상황이 아니라면 block상태에 돌입한 프로세서는 스케줄러의 선택을 받기 위해 다시 ready로 돌아가게 된다.

컨텍스트 스위칭

간단하게 정의하면 멀티 프로세스 os에서 다음 우선 순위의 프로세스가 실행될 때에 기존 프로세스의 상태나 값을 저장하고 새로운 프로세스에 대한 값으로 교체하는 작업이다.
위에서 말한 교착상태에 들어가거나 하는 문제들 역시 이 컨텍스트 스위칭과정에서 생기는 문제들이다.
그런데 이러한 작업들을 실행하려면 저자가 이야기하듯 시스템에 부담을 주어야만 한다.
그렇다면 우리는 왜 시스템에 부담을 주면서까지이러한 작업들을 해야할까
간단하게 말하자면 역설적으로 컨텍스트 스위칭은 프로세스 간 CPU를 효율적으로 공유하는 과정에서 시스템 전반의 성능을 향상시킨다.
그리고 다중작업 환경이라면 사용자는 동시에 여러 작업의 수행을 원하게 되는데, 이를 실행시키기 위해서는 컨텍스트 스위칭이 무조건적으로 필요해진다.

공부 시 참조 링크 첨부

멀티 프로세스에 대한 심화링크