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Lecture #3
프로세스(Process)
강의 내용
1. 프로세스(Process) 란?
2. 프로세스 상태(Process State) 모델
1) 2-상태 프로세스 상태 모델
2) 5-상태 프로세스 상태 모델
3) 7-상태 프로세스 상태 모델
3. 운영체제 제어 정보 구조체
4. 프로세스 이미지 및 제어 블록(PCB)
5. 프로세스 스케줄링 & 프로세스 전환
6. 운영체제 실행 방식
7. Unix SVR4에서의 프로세스 관리
Operating System
2
The OS Manages
Execution of Applications



Resources are made available to multiple
applications
The processor is switched among multiple
application
The processor and I/O devices can be used
efficiently
프로세스(Process)(1)


“Task(태스크)”
실행중인 프로그램(A program in execution)


Operating System
프로그램의 실행 메모리 이미지
An instance of a program running on a computer
 프로그램 – 수동적인 실체
 프로세스 – 능동적인 실체 : trace 가능
 윈도우 환경에 아래아한글 프로그램을 두 번 실행하는 경우:
• 하드 디스크에 저장된 아래아한글 프로그램: 프로그램
• 두개의 아래아한글 윈도우: 프로세스
4
프로세스(Process)(2)

모든 multitasking OS는 ‘프로세스’ 개념 을 바탕으로
동작한다


Operating System
프로세스는 시분할 시스템의 작업 단위
The entity that can be assigned to and executed on a
processor
5
프로세스(Process)(3)
주기억장치
운영체재
보조기억장치
아래아한글
프로세스 1
아래아한글
프로그램
아래아한글
프로세스 2
Operating System
6
Process Elements (1)

A process is comprised of:



Program code (possibly shared)
A set of data
A number of attributes describing the state of the
process
Process Elements (2)

While the process is running it has a number of
elements including








Identifier
State
Priority
Program counter
Memory pointers
Context data
I/O status information
Accounting information
Process Control Block



Contains the process elements
Created and manage by the
operating system
Allows support for multiple
processes
Trace of the Process (1)



The behavior of an individual process is shown by
listing the sequence of instructions that are
executed
This list is called a Trace
Dispatcher is a small program which switches the
processor from one process to another
Trace of the Process (2)

Dispatcher (short-term scheduler)

프로세서(CPU)를 하나의 프로세스에서 다른 프로세스로
옮겨주는 OS 프로그램

스케줄링 알고리즘을 바탕으로 다음에 실행될 프로세스를
결정한다

하나의 프로세스가 CPU 시간을 독점하는 것을 막는다

프로세스 A에서 프로세스 B 로 실행 전환하는 동안에 CPU는
dispatcher 프로그램을 실행한다
Operating System
11
Process Execution
Addre s s
Main M emory
0
100
Program Counter
8000
Dispatcher
5000
Process A
8000
Process B

12000

Process C

Consider three processes
being executed
All are in memory (plus the
dispatcher)
Lets ignore virtual memory
for this.
Figure 3.2 Snapshot of Example Execution (Figure 3.4)
at Instruction Cycle 13
Operating System
12
Trace from processes point of view

Each process runs to completion
Trace from Processors point of view
Timeout
I/O
프로세스 상태(Process States)(1)

프로세스 상태(Process states )



characterize the behaviour of processes
하나의 프로세스가 생성되어 종료하는 동안 여러 상태를
전이하며 실행된다
2-상태 프로세스 모델

Running state / Not-Running state
Dispatch
Enter
Not
Running
Running
Exit
Pause
(a) State transition diagram
Operating System
15
프로세스 상태(Process States)(2)

2-상태 프로세스 모델 – 큐잉 모델
Queue
Enter
Dispatch
Exit
Processor
Pause
(b) Queuing diagram
Operating System
16
Process Birth and Death
Creation
Termination
New batch job
Normal Completion
Interactive Login
Memory unavailable
Created by OS to provide a service
Protection error
Spawned by existing process
Operator or OS Intervention
See tables 3.1 and 3.2 for more
Process Creation


The OS builds a data structure to manage the
process
Traditionally, the OS created all processes


But it can be useful to let a running process create
another
This action is called process spawning


Parent Process is the original, creating, process
Child Process is the new process
Process Termination


There must be some way that a process can
indicate completion.
This indication may be:




A HALT instruction generating an interrupt alert to the
OS.
A user action (e.g. log off, quitting an application)
A fault or error
Parent process terminating
5-상태 프로세스 모델 (1)

5-상태 프로세스 모델:



Operating System
The Running state(실행)
 CPU를 할당받아 명령어를 실행중인 상태
The Ready state(준비)
 CPU를 할당받기 위해 준비중인 상태
The Blocked(Waiting) state(대기)
 어떤 사건이 일어나기를 기다리고 있는 상태(대기상태)
(ex: the completion of an I/O)
20
5-상태 프로세스 모델 (2)

The New state(생성)



Operating System
프로세스 생성 단계
운영체제는 프로세스 생성에 필요한 작업을 수행:
 프로세스 식별자(process identifier) 생성
 프로세스 테이블(process table) 항목 생성
프로세스 실행이 아직 허용되지 않은 상태
 프로그램이 메모리에 적재되지 않은 상태
 제한된 자원에 대한 승인 제어
21
5-상태 프로세스 모델 (3)

The Exit(Terminated) state(종료)




프로그램 실행 종료 단계
프로그램이 메모리에서 해제된 상태
프로세스에 대한 테이블 정보 및 기타 정보는 잠시 유지된다
 예: accounting program that cumulates resource
usage for billing the users
데이터가 더 이상 필요 없는 경우에 프로세스가
삭제된다
Operating System
22
5-상태 프로세스 모델 (4)

프로세스 상태 전이

Ready  Running
 dispatcher가 실행하기 위해 하나의 프로세스를 선택하면
프로세스는 ready 상태에서 running 상태로 전환된다

Running  Ready
 running 상태의 프로세스에 할당된 time slot이 끝난 경우
 더 높은 우선순위 프로세스가 ready 상태로 들어오는 경우
Operating System
23
5-상태 프로세스 모델 (5)

프로세스 상태전이 (계속)


Operating System
Running  Blocked
 실행중인 프로세스가 기다려야 하는 사건(event)을
요구하는 경우:
• 아직 준비되지 않은 자원에 대한 접근
• 입출력 동작을 시작하고 종료를 기다리는 경우
• 다른 프로세스가 입력을 제공하기를 기다리는
경우(IPC)
Blocked  Ready
 기다리는 사건이 발생하였을 경우
24
5-상태 프로세스 모델 (6)
Ready to exit: A parent may terminate a child process
Operating System
25
5-상태 프로세스 모델 (7)

5-상태 프로세스 모델 – 큐잉모델

2개의 큐를 사용
5-상태 프로세스 모델 (8)

5-상태 프로세스 모델 – 큐잉모델

다수의 블록 큐를 사용
7-상태 프로세스 모델 (1)

스와핑(swapping)의 필요성



5-상태 프로세스 모델에서는 대기(blocked) 상태의
프로세스까지 주기억장치를 점유한다
가상메모리를 사용하는 경우에도 주기억장치에 너무 많은
프로세스를 올리는 경우 시스템 성능을 저하 시킨다
“suspend(일시정지)” 상태가 필요



Operating System
대기 상태의 프로세스를 디스크 장치로 스와핑(swapping)
Blocked Suspend
 디스크 장치로 스와핑된 blocked processes
Ready Suspend
 디스크 장치로 스와핑된 ready processes
28
7-상태 프로세스 모델 (2)

추가 프로세스 상태전이




Operating System
Blocked  Blocked Suspend
 메모리 상의 모든 프로세스가 대기 상태가 되면 새로운 준비
상태의 프로세스를 가져오기 위한 메모리 공간을
확보하고자 하는 경우
 pp. 141, 표 3.4 참조
Blocked Suspend  Ready Suspend
 기다리던 사건이 일어나는 경우
Ready Suspend  Ready
 메모리에 더 이상 준비 상태의 프로세스가 없는 경우
Ready  Ready Suspend (unlikely)
 대기 상태의 프로세스가 없는데 메모리 공간이 필요한 경우
29
7-상태 프로세스 모델 (3)
Operating System
30
Reason for Process Suspension
Reason
Comment
Swapping
The OS needs to release sufficient main memory
to bring in a process that is ready to execute.
Other OS Reason
OS suspects process of causing a problem.
Interactive User Request e.g. debugging or in connection with the use of a
resource.
Timing
A process may be executed periodically (e.g., an
accounting or system monitoring process) and m
ay be suspended while waiting for the next time.
Parent Process Request
A parent process may wish to suspend execution
of a descendent to examine or modify the suspen
ded process, or to coordinate the activity of vario
us descendants.
Table 3.3 Reasons for Process Suspension
Requirements of an Operating System



Process Execution Interleaving - Interleave the
execution of multiple processes to maximize
processor utilization while providing reasonable
response time
Resource Allocation - Allocate resources to
processes
Interprocess Communication - Support
interprocess communication and user creation of
processes
Operating System
32
Processes and Resources
Operating System
33
Operating System Control Structures

Information about the current status of each
process and resource


for the OS to manage processes and resources
Tables are constructed for each entity the
operating system manages
Operating System
34
OS Control Tables
Memory Tables
Process
1
Memory
Devices
Process
Image
I/O Tables
Files
Processes
File Tables
Primary Process Table
Process 1
Process 2
Process 3
Process
Image
Process
n
Process n
Operating System
Figure 3.11 General Structure of Operating System Control Tables
35
Memory Tables




Allocation of main memory to processes
Allocation of secondary memory to processes
Protection attributes for access to shared memory
regions
Information needed to manage virtual memory
Operating System
36
I/O Tables



I/O device is available or assigned
Status of I/O operation
Location in main memory being used as the
source or destination of the I/O transfer
Operating System
37
File Tables





Existence of files
Location on secondary memory
Current Status
Attributes
Sometimes this information is maintained by a file
management system
Operating System
38
Process Table


Where process is located
Attributes in the process control block



Operating System
Program
Data
Stack
39
Process Image (1)
Operating System
40
Process Image (2)



User program
User data
Stack(s)


for procedure calls and parameter passing
프로세스 제어 블록(Process Control Block: PCB)

Operating System
운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 필요한 정보:
 Process identification information
 Processor state information
 Process control information
41
Process Image (3)
Operating System
42
Process Image (4)

각각의 프로세스 이미지는 가상 메모리 상에 존재한다




연속적인 메모리 공간에 할당될 필요가 없다
전용 메모리와 공유 메모리 둘 다 사용한다
프로세스 이미지의 주소는 Primary Process Table의
프로세스별 항목에 저장한다
운영체제가 프로세스를 관리하기 위해서 프로세스
이미지 전부를 메모리에 올릴 필요는 없다
Operating System
43
프로세스 제어 블록(PCB)(1)

프로세스 식별 정보



Operating System
유일한 프로세스 식별자 (always)
 primary process table에 대한 인덱스
사용자 식별자
 작업을 실행시킨 사용자에 대한 식별 정보
부모 프로세스 식별자
 현재 프로세스를 생성하는 프로세스(Parent Process)의
식별자
44
프로세스 제어 블록(PCB)(2)

프로세스 상태 정보



Contents of processor registers




프로세스 실행 상태를 표시하는 정보
주로 프로세서(CPU) 상태 정보
User-visible registers
Control and status registers
Stack pointers
Program status word (PSW)

Operating System
processor status information
45
Pentium II EFLAGS Register
Also see Table 3.6
프로세스 제어 블록(PCB)(3)

프로세스 제어 정보


스케줄링 및 상태 정보




프로세스 스케줄링 및 제어에 필요한 정보
프로세스 상태 (ie: running, ready, blocked...)
프로세스 우선순위
대기 상태에 있는 사건 (if blocked)
데이터 구조 정보



Operating System
process queues
parent-child relationships
other structures etc.
47
프로세스 제어 블록(PCB)(4)
프로세스 제어 정보(계속)

프로세스간 통신 정보


프로세스 특권 정보


Ex: access to certain memory locations...
메모리 관리 정보


may hold flags and signals for IPC
pointers to segment/page tables assigned to this process
자원 소유 및 이용 정보


Operating System
resource in use: open files, I/O devices...
history of usage (of CPU time, I/O...)
48
Queues as linked lists of PCBs
Operating System
49
프로세스 스케줄링




실행중이 아닌 프로세스는 준비 큐(queue) 또는 대기
큐에서 상태 전이를 기다린다
준비 큐에서는 다음에 실행한 프로세스를 결정한다 short-term scheduling
대기 큐에서는 각 프로세스가 사건이 발생하기를
기다린다
중지(suspend) 상태의 프로세스 중에서 준비 상태로
전환할 프로세스를 결정한다 - mid-term scheduling
Operating System
50
큐잉 원리 – Using Two Queues
Operating System
51
큐잉 원리 – Using Multiple Queues
Release
Ready Queue
Dispatch
Admit
Proce s sor
Timeout
Event 1 Queue
Event 1
Occurs
Event 1 Wait
Event 2 Queue
Event 2 Wait
Event 2
Occurs
Event n Queue
Event n
Occurs
Event n Wait
(b) Multiple blocked queues

사건 n이 발생하면 해당 대기 큐에서 하나의 프로세스가 준비
큐로 이동한다
Operating System
52
프로세스 전환(Process Switching)(1)

운영체제가 CPU 제어권을 할당 받을 때마다 프로세스
전환이 발생한다



Operating System
Supervisor Call(시스템 호출)
 explicit request by the program (ex: file open). The
process will probably be blocked
Trap
 An error resulted from the last instruction. It may
cause the process to be moved to the Exit state
Interrupt
 the cause is external to the execution of the current
instruction.
53
프로세스 전환(Process Switching)(2)

인터럽터 예:



Operating System
Clock
 process has expired his time slice and is transferred
to the ready state
I/O
 first move the processes waiting for this event to the
ready (or ready suspend) state
 then resume the running process or choose a
process of higher priority
Memory fault
 memory address is in virtual memory so it must bring
corresponding block into main memory
 thus move this process to a blocked state (waiting for
the I/O to complete)
54
프로세스 전환 절차







“문맥 교환(Context Switch)”
프로그램 카운터와 다른 레지스터을 포함한 프로세서
문맥을 저장한다
현재 수행중인 프로세스의 PCB을 새로운 상태 정보와
관련 정보로 수정한다
PCB을 적절한 큐에 이동한다
실행을 위해 다른 프로세스를 선택한다
선택된 프로세스의 PCB를 수정한다
선택된 프로세스의 PCB로부터 새로운 프로세서 문맥을
적재한다
Operating System
55
프로세스 생성(Process Creation)




일괄작업(batch job) 실행
User logs on
사용자에게 제공되는 OS 서비스(ex: printing a file)
하나의 프로세스에서 새로운 프로세스로의 확장


Operating System
사용자 프로그램은 여러 개의 프로세스을 생성할 수 있다
부모 프로세스(Parent Process) /
자식 프로세스(Child Process)
56
프로세스 생성 동작



유일한 프로세스 식별자를 할당
프로세스 이미지를 위한 메모리 영역을 할당
PCB(process control block) 초기화



많은 초기값 지정(ex: state is New, no I/O devices or files...)
이외는 부모 프로세스 내용을 복사
적절한 연결을 설정

Operating System
예: 새로운 프로세스를 스케줄링 큐에 추가한다
57
프로세스 종료(Process Termination)




일괄작업(Batch job)에서의 Halt instruction
사용자 로그오프(User logs off)
프로세스에 대한 종료 요구(Termination Request)
Error and fault conditions
Operating System
58
프로세스 종료 요구(1)





Normal completion
Time limit exceeded
Memory unavailable
Memory bounds violation
Protection error



example: write to read-only file
Arithmetic error
Time overrun

Operating System
process waited longer than a specified maximum for an
event
59
프로세스 종료 요구(2)


I/O failure
Invalid instruction



Privileged instruction
Operating system intervention



happens when try to execute data
such as when deadlock occurs
Parent request to terminate one offspring
Parent terminates, so child processes terminate
Operating System
60
Is the OS a Process?


If the OS is just a collection of programs and if it is
executed by the processor just like any other
program, is the OS a process?
If so, how is it controlled?

Who (what) controls it?
Execution of the Operating System
P1
P2
Pn
Kernel
(a) Separate kernel
P1
P2
Pn
OS
Functions
OS
Functions
OS
Functions
Process Switching Functions
(b) OS functions execute within user processes
P1
P2
Pn
O S1
O Sk
Process Switching Functions
(c) OS functions execute as separate processes
Operating System
Figure 3.15 Relationship Betwee n Operating
System and User Processes
62
Non-process Kernel


Execute kernel outside of any process
The concept of process is considered to apply
only to user programs

Operating system code is executed as a separate entity
that operates in privileged mode
Execution Within User Processes

Execution Within User Processes


Operating system software within
context of a user process
No need for Process Switch to run OS
routine
Process-based Operating System

Process-based operating system

Implement the OS as a collection of system process
Security Issues

An OS associates a set of privileges with each
process.


Highest level being administrator, supervisor, or root,
access.
A key security issue in the design of any OS is to
prevent anything (user or process) from gaining
unauthorized privileges on the system

Especially - from gaining root access.
System access threats

Intruders




Masquerader (outsider)
Misfeasor (insider)
Clandestine user (outside or insider)
Malicious software (malware)
Countermeasures:
Intrusion Detection



Intrusion detection systems are typically designed
to detect human intruder and malicious software
behaviour.
May be host or network based
Intrusion detection systems (IDS) typically
comprise



Sensors
Analyzers
User Interface
Countermeasures:
Authentication

Two Stages:



Identification
Verification
Four Factors:




Something the individual knows
Something the individual possesses
Something the individual is (static biometrics)
Something the individual does (dynamic biometrics)
Countermeasures:
Access Control


A policy governing access to resources
A security administrator maintains an
authorization database


The access control function consults this to determine
whether to grant access.
An auditing function monitors and keeps a record
of user accesses to system resources.
Countermeasures:
Firewalls

Traditionally, a firewall is a dedicated computer
that:


interfaces with computers outside a network
has special security precautions built into it to protect
sensitive files on computers within the network.
Process Management in Unix SVR4



Uses the model of fig3.15b where most of the OS
executes in the user process
System Processes - Kernel mode only
User Processes


User mode to execute user programs and utilities
Kernel mode to execute instructions that belong to the
kernel.
UNIX Process State Transition
Diagram
UNIX Process States
A Unix Process


A process in UNIX is a set of data structures that
provide the OS with all of the information
necessary to manage and dispatch processes.
See Table 3.10 which organizes the elements into
three parts:



user-level context,
register context, and
system-level context.
Process Creation


Process creation is by means of the kernel system
call,fork( ).
This causes the OS, in Kernel Mode, to:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Allocate a slot in the process table for the new process.
Assign a unique process ID to the child process.
Copy of process image of the parent, with the exception
of any shared memory.
Increment the counters for any files owned by the
parent, to reflect that an additional process now also
owns those files.
Assign the child process to the Ready to Run state.
Returns the ID number of the child to the parent
process, and a 0 value to the child process.
After Creation

After creating the process the Kernel can do one
of the following, as part of the dispatcher routine:



Stay in the parent process.
Transfer control to the child process
Transfer control to another process.