이것저것

쓰레드?

• 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

• Combined Approach
• 두 장점을 합친 모델
• 유저 레벨 쓰레드를 같거나 적은 수의 커널 레벨 쓰레드에 매핑됨

• 왜 쓰레드를 쓰냐?
• 작업 단위가 프로세스일 경우
• 예를들어 프로세스가 IO를 기다리면 전체 작업의 진행이 멈춤
• IO를 기다리면서 다른 작업을 하기 위해선 새로운 프로세스를 생성 - 오버헤드 발생
• 하나의 프로세스를 쓰레드라는 작업 단위로 나누고. 프로세스 자원을 공유하면서 CPU Utilization, 자원 활용을 높일 수 있음 

• Application for Multicores
• Multithreaded native application
• 여러개의 쓰레드로 구성된 소수의 프로세스로 개발
• IBM(Lotus) Domino, Oracle(Siebel) CRM(Customer Relationship Manager)
• Multiprocess applications
• 싱글 쓰레드 프로세스를 여러개로 구성
• Oracle DB, SAP
• Java applications
• JVM 자체가 싱글 프로세스에 멀티 쓰레드로 구현되어 있음
• Sun’s Java Application server, IBM’s websphere, J2EE (Java2 Enterprise Edition) application
• Multi-instance applications
• 하나의 애플리케이션을 여러 개 실행할 때 별도의 프로세스로 만들어지도록(e.g. 브라우저)

Multithreading

• 하나의 프로세스 안에서 여러 개의 쓰레드를 통해 작업 단위를 나누는 것
  • 프로세스는 자원 할당의 단위
  • 쓰레드는 CPU 스케쥴링의 단위
    • 쓰레드의 실행 상태(execution state)는 프로세스보다 제한적임
    • ready, run, blocked 세 상태
    • suspend는 프로세스 단위
    • 쓰레드의 실행 상태를 관리할 수 있는 Thread Control Block이 필요함
      • 쓰레드별로 register context, 실행 스택을 관리 
• Single-threaded approach
  • 한 개의 프로세스에 한 개의 쓰레드로 이루어진 전통적인 접근 방법
  • 쓰레드의 개념이 없음
  • MS-DOS, old UNIX
• Multi-threaded appraoch
  • 하나의 프로세스가 여러 개의 쓰레드로 이루어짐
    • Java run-time env
  • 여려 개의 프로세스가 각자 여러 개의 쓰레드로 이루어짐
    • Windows, Solaris, modern UNIX
• 장점
  • 자원을 공유하기 때문에 새로운 쓰레드 생성이 빠름 (프로세스 생성보다 10배 빠름)
  • 종료 시에는 자원을 release해줄 필요가 없기 때문에 종료도 빠름
  • 쓰레드 간의 Context switching이 빠름
  • 쓰레드 간의 communication 속도가 빠름
    • 프로세스 간의 communication은 시그널을 이용하기 때문에 커널의 개입이 필요
    • 쓰레드 간의 communication은 shared memory를 이용하기 때문에 빠름
  • Faster response
    • 하나의 쓰레드가 block 되어도 다른 쓰레드를 실행이 가능
  • Parallel processing 
    • 멀티코어 시스템에서 여러 프로세서가 여러 쓰레드를 병행 처리가 가능함

• 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
  
  • 1. 명령어 실행
  • 2. interrupt 핀 확인
  • 3. system bus의 interrupt vector 확인
  • 4. interrupt vector code 실행 (control transfer)
  • 5. handler returns to next instruction

• Exception : 특정 실행중인 프로세스의 CPU가 핸들링할 수 없는 특정 명령어가 발생한 상황(e.g. pagefault) 
• synchronous(항상 같은 위치에서 동일 조건에서 발생), internal events
• 종류
• Traps
• 의도적인 상황 (명령어 실행을 마치고 의도적으로 멈추는 상황)
• 명령어 실행을 마치자 마자 발생하게 하는 것
• ex) debugging, breakpoints, system calls
• Faults
• 의도적이지 않은 상황
• 현재 특정 명령어의 실행을 다 마치지 못함, 명령어 실행이 중단됨
• NaN, divide by zero 
• Recover가 가능할 경우 해당 명령어를 다시 실행
• Aborts
• 심각한 하드웨어 에러
• 현재 프로세스를 종료 또는 전체 시스템이 종료될 수 있음
• MCA(Machine Check Abort), Parity error

프로세스?

• 실행중인 프로그램의 한 인스턴스
• 프로그램은 디스크에 저장된 실행 파일, 이게 실행이 되면 프로세스
• Provides two key abstractions
• Logical Control Flow
• 각 프로세스는 프로세서를 독점적으로 사용함
• Private Address Space
• 각 프로세스는 메모리를 독점적으로 사용함
• Life & Scope
• Life : 변수가 메모리에 있으면 살아있는 것
• Scope : access가 가능한 영역
• Context Switching
• Context?
• PC, General Purpose Register ,Floating Pointer Register, Status Registers, and Various kernel data structures (page table, file table)
• 이걸 PCB라고 함, 그 중에서 register block을 context라고 함
• Switching?
• 현재 실행하는 프로세스의 Context를 저장하고, 다음에 실행할 프로세스의 state를 복구
• 어떤 프로세스를 실행할지? - Scheduler 또는 Dispatcher

• PCB (Process Control Block)
• Process Identifier
• 프로세스 ID가 숫자로 부여됨
• Process State Information
• User-Visible Registers
• General Purpose Register라고도 함
• ex) Integer register
• Control and Status Registers
• Program counter
• Condition codes : 산술연산의 결과 (sign, zero, carry, equal, overflow)
• Status information : (interrupt enable/disable flag, execution mode)
• Stack Pointers
• Process Control Information
• Scheduling and State information : 스케줄링과 관련된 정보를 보관
• process state 
• priority
• scheduling-related information
• event
• Data structuring
• Parent - Child relation
• Interproces communication (signal)
• Process privileges
• Memory management
• Resource ownership and utilization
• PSW (Program Status Word)
• 프로세스의 실행 상태(status)를 관리하는 레지스터
• 현재 실행중인 프로세스의 condition code와 상태 정보를 저장함
• ex) x86의 EEFLAGS 레지스터

• Process Creation and Termination
• Process spawning
• OS가 새로운 프로세스를 만듬
• 새로운 프로세스는 부모 프로세스에서 만들어짐(fork)
• Process termination
• EXIT 시스템콜 호출로 스스로 종료 가능
• 과거 batch 시스템에서는 HALT라는 명령어 사용
• 프로세스가 할당되지 않은 영역을 참조하거나, 메모리 초과, 오버플로우, 언더플로우, 부모 프로세스가 죽을 때 같이 종료될 수 있음

• Suspended processes
• Swapping
• 메모리 상의 모든 프로세스가 IO를 기다릴 수 있음
• 이런 상황에서 메모리 상의 일부 프로세스를 디스크로 옮기고, 디스크 상의 다른 프로세스를 메모리로 가져옴
• Suspended Process
• Swap으로 실행이 불가능한 프로세스