본 포스트는 2020-2학기 Linux System and its Applications 9주차 수업을 정리한 글입니다.

Process in Linux

• 프로세스는 ‘Running Program’(실행중인 프로그램)
• 프로그램을 실행시키면 메인메모리에 올라오고 새로운 프로세스가 생성/시작
• 리눅스는 프로세스를 unique한 5자리 숫자의 프로세스 ID(pid)로 관리
  • 동시에 같은 Pid를 가지는 프로세스 존재 X

Creating process in user-level

• fork system call
  • fork() 시스템 콜을 통해 프로세스 생성
    • fork() 실패시, -1 리턴
    • fork() 성공시, child 에게 0 리턴하고 parent에게 child의 pid 리턴
  • Parent Process (Process 자기자신)
  • Child Process (복제된 process)

Process descriptor : task_struct (in Linux)

• 리눅스 커널은 프로세스를 ‘task list’라고 불리는 Circular Doubly linked list로 관리
• 각 프로세스는 task_struct라는 구조체에 Context 저장

• 리눅스에서는 하나의 프로세스를 하나의 태스크로 mapping 시켜서 관리

Process States (in Linux)

• TASK_RUNNING
  • 수행가능한 프로세스
  • 수행 중이거나 실행큐에서 대기중인 2가지 상태
  • 태스크는 user- 또는 kernel-space에 존재
• TASK_INTERRUPTIBLE
  • sleeping (Blocked)
  • 특정 조건을 기다리는 중 → 조건을 만족하면 다시 runnable 상태로(TASK_RUNNING)
• TASK_UNINTERRUPTIBLE
  • TASK_INTERRUPTIBLE와 유사한 상태지만, runnable로 wake up 되지 않는 상태
  • 인터럽트 신호가 오더라도 wait해야될 때 사용
• TASK_STOPPED
  • 프로세스 실행이 끝남
  • running도 waiting도 아님
• Linux 프로세스 state를 변경하는 방법
  • set_current_state(task, state)
  • set_task_state(task, state)

Process states Example (생산자-소비자문제)

• Producer(생산자)
  • Event 생성 및 소비자 wake up
• Consumer(소비자)
  • Event가 존재하면 리스트에 존재하는 모든 이벤트 처리
  • 그렇지 않으면, wake up할 때 까지 Sleep

Procedure of Task Creation in Linux

• fork()
  • caller(parent) 태스크의 모든 상태를 그대로 복사해서 task(child) 생성

  

• Clone()

  

  • caller 태스크의 일부를 공유하는 새로운 태스크 생성
  • fork() 와 다르게 child process가 caller(parent)의 context일부를 공유
  • Clone Flags
    • Clone Flags를 통해서 context 공유범위를 정해줌

    

    • CLONE_VM
      • CLONE_VM is set, calling 프로세스와 child 프로세스는 같은 메모리 공간에서 실행
      • CLONE_VM is not set, child 프로세스는 복제된 다른 메모리 공간에서 실행

do_fork()

• Execution flow

• copy_process() Execution flow

  

  

  

• Sharing vs. copying state “ABC”

  

  • ‘ABC’라는 State가 있고, Child가 ABC_struct의 m값에 1을 더한다고 가정
  • CLONE_ABC is set, ABC_struct는 공유되고, 공유된 count의 값은 m+1
  • CLONE_ABC is not set, 각각 ABC_struct를 가지고, Child의 ABC_struct의 count값 1

• Copying Address space

  • copy_mm()에 의해 수행
  • 페이지 테이블을 가리키고있는 메모리 관련 mm_struct

  

  • Child가 모든 page table을 복사하는 것은 너무 오래걸림 → Copy-on-write(COW)사용

  • Copy-on-write(COW)

    

    • 실제 리소스를 수정할 때까지 복사 작업을 지연 (수정이 있으면 복사 후 수정)
    • 커널의 여러 곳에서 사용(fork(), 파일 시스템, 가상 메모리 등)
  • Copy-on-write(COW) in do_fork()
    • 페이지 테이블만 복사하고 page Frame은 공유
    • Page Frame에 수정이 일어나면 Page Frame을 Copy 후 수정 (Copy-on-write)

  

Thread

• Thread는 Process안의 실행흐름의 단위 (lightweight process)
• PC(프로그램 카운터), 스택, 쓰레드 ID로 구성
• 하나의 프로세스에 여러 개의 Thread 가능 → CPU Utilization을 높임
• Multi-Threading(멀티쓰레딩)
  • 프로세스를 여러개의 쓰레드로 나누어 병렬처리의 극대화
  • Mulit-Processing대비 Context Switching의 오버헤드 적고, 메모리 사용도 줄일 수 있음
• 쓰레드는 동일한 주소 공간을 공유하고 동일한 프로그램에 속하는 실행 흐름 → 독립적으로 CPU에 할당

Creating Thread in User-level

• pthread_create(..., void *(*start_routine)(void*), void *arg)
  • calling 프로세스 내의 새로운 쓰레드 생성
  • 쓰레드는 항상 생성 후 start_routine(arg)을 수행
• pthread_join(pthread_thread, void **retval)
  • 생성된 쓰레드를 terminate할 때 사용
  • join 실패 시 ‘zombie thread’ 상태로 남아서 system 리소스를 소비
• Example
  • pthread_create를 사용해 쓰레드를 생성하는 예제
    • pthread_t : type that represents a thread ID
    • pthread_self(): function that returns thread ID

  

  

Kernel Thread

• 커널에서 background operation을 수행할 때 주로 사용 (Demon Thread)
• User-level 스레드와 유사
• 커널 스레드 생성시, kthread_create() 사용
• kthread_run(), kthread_stop()
• kthread_should_stop() : 커널 쓰레드를 계속 실행 혹은 stop을 결정할 때 사용
• Example in EXT4 file system

  • EXT4 파일 시스템은 커널 스레드를 사용하여 백그라운드에서 파일 시스템 초기화를 완료

    

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