Concurrent Processes

Concurrent Processes(동시실행 프로세스) (1)

실행 중인 프로그램 시스템은 여러 동적 동시 프로세스(dynamic concurrent processes)로 구성된다.

IPC와의 공동 작업 프로세스의 set

Concurrent process 프로그래밍 툴

   • Concurrent languages (Ada, Java, PathPascal, Modula II)

   • C, C++,.. concurrent programming 을 위한 system call (Linux, UNIX, Win32 Environment)

 

Applications (Objectives)

• Networked (or distributed) applications

   – 네트워크 앱 : 클라이언트 프로세스, 서버 프로세스

   – Distributed 앱 : chess 프로그램, 클라우드 컴퓨팅

 

• 실시간 애플리케이션(응용프로그램)

   – 항공기 제어 : 조종석 디스플레이, 비행 관리

   – 미사일 시스템, 자동차 : 많은 센서, 제어 장치, 그리고 여러개의 프로세스들로 서보모터(actuators)가 처리된다.

   – 일반적으로 각 센서에 대한 프로세스

 

• 병령 어플리케이션 : 3D 그래픽스, 많은 CPUs, 많은 병렬 프로세스

   – 더 많은 CPUs, GPUs 을 이용하기 위함

 

• 프로그램 레벨에서의 CPU/IO overlap

   – 프로세스가 컴퓨팅을 수행할 때 다른 프로세스가 프로그램에서 I/O를 수행한다.

 

• 비동기 이벤트 처리

   – 여러 입력 소스 처리 : 어떤 디바이스가 먼저 입력을 하는지 알 수 없다.

   – 이런 경우, 각 입력 디바이스에 프로세스를 할당함

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Process & PID

Process -> 운영체제 내에서 주소 공간을 가지고 운영되는 프로그램

PID -> Process id

 

 모든 프로세스는 고유한 프로세스 ID(PID, 음이 아닌 정수)를 가진다
   • ID는 고유하지만 종료 후 재사용됩니다.
   • PID 0은 보통 swapper로 알려진 스케줄러입니다.
   • PID 1은 보통 init 프로세스이다(boostrap 과정의 마지막에 호출되며  /etc/init 또는  /sbin/init에 위치한다)
   • PID 2 는 가상 메모리 시스템의 paging을 지원하는 pagedaemon 이다.

 각 프로세스는 자체 PCB(process control block) 를 가진다
• 프로세스에 대한 모든 정보가 포함되어 있다.
– PID, UID, GID, current working directory, terminal, priority, state, CPU usage, memory map, open files and locks, ...

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System calls for PIDs

#include <unistd.h>

pid_t getpid(void);
// Returns: process ID of calling process

pid_t getppid(void);
// Returns: parent process ID of calling process

uid_t getuid(void);
// Returns: real user ID of calling process

uid_t geteuid(void);
// Returns: effective user ID of calling process

gid_t getgid(void);
// Returns: real group ID of calling process

gid_t getegid(void);
// Returns: effective group ID of calling process

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Process creation in Linux

프로세스 생성. 현재 실행되는 프로세스와 같은 것 생성

#include <unistd.h>
pid_t fork(void)

 child process 라는 새로운 프로세스를 만든다.

   • child는 parent와 똑같은 clone(copy)이다.

   • child는 이 fork() 콜에서 돌아오는 것부터 시작함.(왜?)

   포크를 부르는 순간 그 순간 parent는 clone이 되어서 동일하게 복사되기 때문. 즉슨, 현재 실행되는 실행상태 그대로(메모리 등) 복사가 되기 때문에

 

 returns

   • parent process 의 new born child process 의 PID

   • 0 in the child process

   • -1 on error

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fork() example

 Duplicating the address spaces

 Divergence of their execution flow

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Parent and Child

child 는 parent process의 copy( or clone)이다. 동일 코드 / 데이터 객체 생성

child 는 fork() 호출 시 부모의 대부분의 리소스를 상속 받는다.

   - 같은 text를 공유한다(프로그램 코드와 상수 데이터)

   - 실제/유효 user-id, group-id

   - 현재 working, root 디렉토리

   - tty(stdin, stdout, stderr) 를 포함하는 fork 전에 열린 파일

   - fork 전에 parent가 열린 파일들의 r/w offsets를 공유

 

 

 

하지만 실제로, 둘은 다른 프로세스이다.

- 다른 PID, 다른 PCB

- 커널에 의해 독립적으로(동시에) 스케줄되어있다.

- 각각이 개인적인 리소스를 가지고 있다

- 다른 데이터/힙/스택 (fork 할때 copy됨)

 

 

 

 

 

fork() 는 fail 할 수 있다.

- 만약 너무 많은 프로세스들이 이미 시스템 안에 있다면

- 만약 이 실제 user ID 의 총 프로세스 수가 시스템 제한을 초과하는 경우(CHILD_MAX)

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Terminating a process

#include <stdlib.h>
void exit(int status);

exit() 함수는 부모에게 status를 전송한다

   • status는 자식 프로세스가 어떻게 종료되었는지 알려준다.

   • parent는 wait() 콜을 통해 status 값을 가져온다.(나중에 나옴)

 

프로세스는 5가지 방법으로 정상 종료될 수 있다.

   • 메인 함수로부터 return 을 실행

   • exit() 함수 호출하기

   • 프로세스의 마지막 스레드에서 pthread_exit 함수를 호출한다.

 

커널 코드는 종료된 프로세스에 대해 이런 작업들을 수행

   • 코드에 의해 프로세스의 열려있는 descriptor 가 모두 닫힌다.

   • 할당된 메모리를 release

 

cf. 종료된 프로세스는 부모가 wait() 시스템 콜에서 return 될 때까지 시스템에 남는다.

• 리눅스에서는 좀비 프로세스라고 부른다.

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Waiting a child process

#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *status);

caller (주로 parent)는 자녀가 종료될 때까지 차단된다.

- 재개되면, child의 PCB를 제거한다

 

return

- 만약 OK인경우 PID를 종료

- -1 on error

 

파라미터

- int *status : 상태가 기록되는 가변 주소

#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options);

caller(주로 parent)는 지정된 프로세스(pid)가 종료될 때까지 차단된다

   - pid 지정 외에는 wait() 와 동일

   - wait()를 waitpid()로 만드는 방법

 

파라미터

- pid

   - if pid > 0이면 프로세스 ID가 pid인 child를 기다림

   - if pid == -1 이면 child 프로세스를 기다림. waitpid는 wait 과 동일

- options

   - WNOHANG : non-blocking call 을 위함

 

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Macros for exit status

넘겨받은 값이 어떤 정보에 대한 것인지 확인하기 위한 여러 매크로 함수들

 WEXISTATUS(status)

• fetch the exit code which the child sends

 

 WIFEXITED(status)

• true if the child terminated normally

 

 WIFSIGNALED(status)

• true if status was child terminated abnormally by a signal

 

 WIFSTOPPED(status)

• true if status was returned for a child that is currently stopped

 

 WTERMSIG(status)

• fetch the signal number that caused the child to be terminated

 

 WCOREDUMP(status)

• true if a core file or the terminated process was generated

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wait() and exit() example

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exec() system call

현재 프로세스를 다른 프로세스로 대체

 

프로세스가 exec 함수중 하나를 호출하면, 해당 프로세스가 새 프로그램으로 완전히 대체된다.

- 새로운 프로그램은 메인 함수에서 실행되기 시작한다

- exec 전체에서 PID가 변경되지 않음

- exec는 현재 프로세스(text, data, heap, and stack segment)를 치환하기만 하면 됨.

 

프로그램 body가 변경되었지만 다음의 항목들은 남아있다

- priority

- 프로세스 ID( 같은 프로세스), 작업 디렉토리

- alarm 까지 남은 시간

- pending signals(보류신호)

- 파일과 파일 잠금 열기

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exec family

execl

execv

#include <unistd.h>

int execl(const char *pathname, const char *arg0, ... /* (char *)0 */ );
int execv(const char *pathname, char *const argv[]);
int execle(const char *pathname, const char *arg0, ... /* (char *)0, char *const 
envp[] */ );
int execve(const char *pathname, char *const argv[], char *const envp[]);
int execlp(const char *filename, const char *arg0, ... /* (char *)0 */ );
int execvp(const char *filename, char *const argv[]);
int fexecve(int fd, char *const argv[], char *const envp[]);

// All return: -1 on error, no return on success

 Difference

 문자
• v in its name, argv’s are a vector: const * char argv[]
• l in its name, argv’s are a list: const * char arg0, ...
• e in its name, 환경변수를 취한다: char * const envp[]
• p in its name, PATH 환경변수는 파일을 검색하는데 사용됨

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exec() call example

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User process tree

shell의 parent는 init

a.out의 parent는 shell

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Shell & process tree

$ : shell, the process of this user
$ ./a.out : shell and a.out : processes of this user
$ cat myfile : shell and cat : processes of this user

$ ./a.out & : a.out as a background process
$ rm myfile : shell, a.out and rm are running processes 

$ ./a.out > output : stdout is changed to “output” before exec(). 
                      This is called “I/O redirection”.

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Simple shell example

shell과 유사하게 동작하는 자신만의 프로그램 만들기

유저로부터 command 받아서 fork 시킨 다음

입력받은 프로그램을 실행시키도록 만들기

pseudo code

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Multitask scheduling

 

Context switching (or process switching)

   • 타이머 인터럽트로 정기적으로 발생

   • OS는 현재 CPU의 context를 PCB에 저장해야함 (why?)

 문제
• 프로그램에서 어떤 문장이 중단될지 미리 알 수 없습니다. (즉, 선점)
• 일부 프로그램은 일관성 없는 출력을 초래할 수 있습니다(레이스 조건(race condition)이라고 함).

 예 (이 프로그램에서 어떤 일이 일어날지 생각해 보세요)

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File sharing b/w P&C

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Inter-Process Communication (IPC)

가능한 통신 방법
• 파일을 공유
• 열린 파일의 파일 포인터를 상위 파일과 하위 파일 간에 공유
• 메시지 큐 
• semaphores(explained later)
• 신호(SP 참조)
• 네트워크 소켓
• pipe : circular queue bet. processes
   – named pipe : 시스템 내의 임의의 프로세스 간
   – unnamed pipe : 부모와 자식 사이

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Pipe

 Pipe
• 프로세스 간의 IPC 도구
• block & wakeup으로 race condition를 피함
• 2개의 r/w 포인터로 작성된 FIFO 파일
   – 하나는 읽기 전용
   – 다른 하나는 쓰기 전용
• 시스템은 가변 크기 queue entry 와 상호 제외를 갖춘 ring-buffer 를 제공한다.

                                                                     링버퍼 -> 덮어쓰는 형식(데이터 가져가면 비워짐)
• 빈 파이프에 대한 읽기 시도가 차단(blocking)의 원인이 됨
• 블로킹 판독은 파이프에 쓰기가 발생하거나 파이프가 닫혔을 때 반환됨

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Pipe example