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Copyright, 2012 © Multimedia Lab.,

System Programming: OS Concepts

Process, Thread, Kernel Object

Seong Jong Choi [email protected] Multimedia Lab. Dept. of Electrical and Computer Eng. University of Seoul Seoul, Korea

http://www.mmlab.net/

http://www.mmlab.net/

Instruction Cycle

9/3/14 UCB CS162 Fa14 L2 2

PC:

Registers

ALU

1.Instruction fetch

2. Decode

3. Execute

Memory

instruction

next

decode

data

Processor

OS란?

• 효율성과 편의성을 위해 제작된 소프트웨어

• 효율성(Efficiency)

– 하드웨어 자원을 효율적으로 관리

– 사용자 간의 보안(Protection) 유지

– 오류 관리

• 편의성(Convenience)

– 사용자가 하드웨어 자원을 편리하게 사용

– Standard Library, GUI

2014-10-15 System Programming 3

OS란?

• 대부분 다음 제목을 다룬다. – Process Management

• Multitasking/multiprogramming?

• CPU Scheduling

• Synchronization / Mutual exclusion primitives

• Communications? (Does Email belong in OS?)

– Memory Management

– I/O Management

• OS라고 주장할 수 있는 제목들 – File System?

– Multimedia Support?

– User Interface?

– Internet Browser?


OS란? (계속)

• 일반적인 OS의 정의는 없다.

• OS를 사면 설치될 수 있는 모든 것?

– But varies wildly

• 컴퓨터에서 항상 돌아가고 있는 프로그램을

“Kernel”이라 한다.

– 이외는 시스템 프로그램(컴파일러, 라이브러리) 또는 응용

프로그램이다.


OS란(계속)

• Operating systems provide a virtual machine abstraction to handle diverse hardware – Software emulation of an abstract machine

– Give programs illusion they own the machine

– Make it look like hardware has features you want (e.g. Virtual Memory, File system, Network system etc…)

Virtual Memory: limited physical memory -> Full virtual memory

File System: Hard disk -> Files, Folders, Subfolders

Network system: network card -> pipe to other computers

• Two Types of VM – System VM

– Process VM


System VM


OS의 진화

• 컴퓨터 진화의 3단계

– 비싼 HW, 싼 임금: Eniac

– 싼 HW, 비싼 임금: PC

– 아주 싼 HW, 아주 비싼 임금: SmartPhone, Network


OS 고고학

• 처음부터 개발한 OS가 매우 드물다. 대부분 계보를 가지고 있다. • Multics AT&T Unix BSD Unix Ultrix, SunOS, NetBSD,…

• Mach (micro-kernel) + BSD NextStep XNU Apple OSX, iphone iOS

• Linux Android OS

• CP/M QDOS MS-DOS Windows 3.1 NT 95 98 2000 XP Vista 7 8 phone …

• Linux RedHat, Ubuntu, Fedora, Debian, Suse,…


Uniprogramming vs Multiprogramming vs Multitasking

• Uniprogramming: – 프로그램이 한번 시작되면 도중에 중단 없이 끝날 때까지 돌아간다.

– MS/DOS

• Multiprogramming: – 한 프로그램이 I/O를 기다리면 다른 프로그램이 수행된다.

• Multitasking (or Time-Sharing) – 시간을 나누어 여러 프로그램을 차례로 돌린다.


Time-Sharing

• Throughput vs Response time

• 직원1명, 손님3명

• 성능과 관련된 2가지 평가지표

– Throughput:

어떻게 하면 직원이 많은 손님을 서비스할 수 있을까?

– Response Time:

어떻게 하면 손님이 기다리는 시간을 줄일 수 있을까?


Multiprograming의 문제

• 문제1: VM:

– 모든 프로그램이 각자의 기계를 요구함

• 문제2: Concurrency & Protection:

– 동시성: 여러 개의 프로그램이 자원을 공유.

– 보호: 허락하지 않은 상호 접근 불가

• 문제3:

– 프로그램 간의 협력/통신


Main Topic

• Multiprogramming

• Process

• Threads

• Address spaces


A컴퓨터에서 B컴퓨터로 프로그램 계속 실행하기

• 가정 – A, B컴퓨터의 부품은 같은 사양의 부품으로 구성된다.

– 하드디스크는 하나

– 예, CPU, Main board, I/O, OS

– A컴퓨터는 현재 하나의 프로그램만 수행되고 있다.

– A 컴퓨터에서 특정 주소의 기계어까지 수행하고 다음 기계어부터는 B 컴퓨터 실행해야 한다.

– 컴퓨터를 옮기기 전, A 컴퓨터 HDD에 필요한 최소한의 정보만 저장할 수 있다. 이 정보는 B 컴퓨터에서 프로그램이 계속 실행되기 전에 사용될 수 있다.

• 문제 – A 컴퓨터 HDD에 저장해야 할 정보는?


프로그램을 수행하기 위해 OS가 수행하는 작업

9/3/14 UCB CS162 Fa14 L2 15

int main() { … ; }

edito

r

com

pile

foo.c Foo.exe Lo

ad &

Ex

ecut

e

0x000…

0xFFF…

data

instructions

data

heap

stack

Memory

CPU registers

PC:

OS

기계어프로그램 C 프로그램

프로세스

프로그램에서 프로세스로 • 기계어프로그램 파일을 메모리로 이동 • Stack/Heap 영역 생성 • Instruction 수행 • System Service제공 (관련 정보 관리) • OS 및 프로세스 보호 (관련 정보 관리)

instructions

Dual Mode Operation • What is needed in the hardware to support “dual

mode” operation? • a bit of state (user/system mode bit) • Certain operations / actions only permitted in

system/kernel mode – In user mode they fail or trap

• User->Kernel transition sets system mode AND saves the user PC

– Operating system code carefully puts aside user state then performs the necessary operations

• Kernel->User transition clears system mode AND restores appropriate user PC

– return-from-interrupt

9/3/14 UCB CS162 Fa14 L2 16

Key OS Concept: Address Space • Program operates in an address space that is

distinct from the physical memory space of the machine

9/3/14 UCB CS162 Fa14 L2 17

Processor Memory

0x000…

0xFFF…

translator

A simple address translation: B&B

• Can the pgm touch OS? • Can it touch other pgms?

9/3/14 UCB CS162 Fa14 L2 18

code

Static Data

heap

stack

code

Static Data

heap

stack

code

Static Data

heap

stack

0000…

FFFF…

1000…

0000…

Program address

Base Address

Bound <

1000…

1100… 0100…

3.19 Silberschatz, Galvin and Gagne ©2013 Operating System Concepts – 9th Edition

instructions

data

heap

stack

Memory

CPU registers

PC:

OS

프로세스

Process를 위한 자원 레지스터

사용자 메모리 자원

Instruction: 기계어 “text section”으로 불리운다. (혼동됨)

Data section static 변수를 위한 저장 장소

Heap 프로그램 수행 중 동적 할당

(Dynamic allocation: malloc())을 위한 저장 장소 Stack

매개 변수, 지역변수, return 주소를 위한 저장 장소 Registers:

현재 프로그램 진행 상황이 저장됨 program counter (PC)

커널 메모리 자원

IO File Descriptor, Kernel Objects

A Thread 실행의 단위: Context-switching (CPU Scheduling)의 기본 단위


프로그램 vs. 프로세스

하나의 프로그램(실행파일)으로 여러 개의 서로 다른 프로세스를 동시에 생성할 수 있다. 메모장 (notepad.exe)으로 my.txt을 열고 (Process #1), 메모장으로

your.text(Process #2)를 열 수 있다.

하나의 프로그램으로 하나의 프로세스로 실행하는 도중에 여러 개의 자식 프로세스를 생성할 수 있다. Chrome 새 탭을 열면 새로운 프로세스가 생성된다.


Process란?

Process의 정의: “unit of resource allocation and execution” Owns memory (address space) Owns file descriptors, file system context, … Encapsulate one or more threads sharing process resources

Why processes?

Tradeoff between protection and efficiency Protection: 프로세스는 memory protection을 제공한다. 쓰레드는 특별한

mechanism을 사용하여 메모리를 보호한다. (매우 복잡) Efficiency: 쓰레드가 프로세스보다 효율적이다. (Context switching, 메모리 공유)

Application instance consists of one or more processes



Process Control Block

How do we Multiplex Processes? 현재 프로세스와 관련된 모든 정보는 process control

block (PCB)구조체로 저장된다.

여러 프로세스에게 CPU 시간을 할당한다. (CPU Scheduling): Only one process “running” at a time Give more time to important processes

현재 사용하는 자원을 여러 프로세스와 공유한다.

(Protection): CPU를 제외한 모든 자원 공유 시 이를 제어한다.


Process Control Block (PCB)

Information associated with each process Process state – running, waiting, etc Program counter – location of

instruction to next execute CPU registers – contents of all process-

centric registers CPU scheduling information- priorities,

scheduling queue pointers Memory-management information –

memory allocated to the process Accounting information – CPU used,

clock time elapsed since start, time limits

I/O status information – I/O devices allocated to process, list of open files


CPU Switch From Process to Process

This is also called a “context switch” Code executed in kernel above is overhead

Overhead sets minimum practical switching time Less overhead with SMT/Hyperthreading, but… contention for resources

instead


Process State

프로세스 하나는 하나의 쓰레드만 존재한다고 가정

As a process executes, it changes state new: 방금 생성된 상태 running: 프로세스의 기계어가 CPU에서 실행 중인 상태 waiting: 프로세스가 특정 event 발생을 기다리는 상태 ready: 프로세스가 CPU 실행을 기다리는 상태 terminated: The process has finished execution


Multiprocess Architecture – Chrome Browser

Many web browsers ran as single process (some still do) If one web site causes trouble, entire browser can hang or crash

Google Chrome Browser is multiprocess with 3 different types of processes: Browser process manages user interface, disk and network I/O Renderer process renders web pages, deals with HTML,

Javascript. A new renderer created for each website opened Runs in sandbox restricting disk and network I/O, minimizing

effect of security exploits Plug-in process for each type of plug-in


Threads

So far, process has a single thread of execution Consider having multiple program counters per process

Multiple locations can execute at once Multiple threads of control -> threads

Must then have storage for thread details, multiple program counters in PCB


Single and Multithreaded Processes

프로세스의 Heap은 여러 쓰레드가 공유함


쓰레드의 장점

응답시간 – 오랜 수행시간이 소요되는 일이 끝나지 않아도, 사용자의 입력을 받을 수 있다. 사용자 인터페이스에서 매우 중요한 요소이다.

자원 공유: 여러 쓰레드가 자원을 공유할 경우 (프로세스의 경우보다) 빠르게 접근할 수 있다.

경제성: 새로운 쓰레드를 생성하는 것이 새로운 프로세스를 생성하는 것 보다 경제적(적은 자원으로 가능하다)이다. 쓰레드 context-switching이 프로세스 switching 보다 빠르다.

확장성 (scalabity): multiprocessor 구조의 잇점을 사용할 수 있다.

Lec 3.30 9/11/13 Anthony D. Joseph and John Canny CS162 ©UCB Fall 2013

Putting it together: Process

Memory

I/O State (e.g., file, socket contexts)

CPU state (PC, SP, registers..)

Sequential stream of instructions

A(int tmp) { if (tmp<2) B(); printf(tmp); } B() { C(); } C() { A(2); } A(1); …

(Unix) Process

Resources Stack

Stored in OS


Putting it together: Processes

…

Process 1 Process 2 Process N

CPU sched.

OS

CPU (1 core)

1 process at a time

CPU state

IO state

Mem.

CPU state

IO state

Mem.

CPU state

IO state

Mem.

• Switch overhead: high – CPU state: low – Memory/IO state: high

• Process creation: high • Protection

– CPU: yes – Memory/IO: yes

• Sharing overhead: high (involves at least a context switch)


Putting it together: Threads Process 1

CPU sched.

OS

CPU (1 core)

1 thread at a time

IO state

Mem.

…

threads Process N

IO state

Mem.

…

threads

…

• Switch overhead: low (only CPU state)

• Thread creation: low • Protection

– CPU: yes – Memory/IO: No

• Sharing overhead: low (thread switch overhead low)

CPU state

CPU state

CPU state

CPU state


Putting it together: Multi-Cores Process 1

CPU sched.

OS

IO state

Mem.

…

threads Process N

IO state

Mem.

…

threads

…

• Switch overhead: low (only CPU state)

• Thread creation: low • Protection

– CPU: yes – Memory/IO: No

• Sharing overhead: low (thread switch overhead low)

core 1 Core 2 Core 3 Core 4 CPU

4 threads at a time

CPU state

CPU state

CPU state

CPU state


Putting it together: Hyper-Threading Process 1

CPU sched.

OS

IO state

Mem.

…

threads Process N

IO state

Mem.

…

threads

…

• Switch overhead between hardware-threads: very-low (done in hardware)

• Contention for ALUs/FPUs may hurt performance

core 1

CPU

core 2

core 3

core 4

8 threads at a time

hardware-threads (hyperthreading)

CPU state

CPU state

CPU state

CPU state


Windows Threads

Windows implements the Windows API – primary API for Win 98, Win NT, Win 2000, Win XP, and Win 7

Implements the one-to-one mapping, kernel-level Each thread contains

A thread id Register set representing state of processor Separate user and kernel stacks for when thread runs in

user mode or kernel mode Private data storage area used by run-time libraries and

dynamic link libraries (DLLs) The register set, stacks, and private storage area are known as

the context of the thread

Lec 2.36 1/27/14 Anthony D. Joseph CS162 ©UCB Spring 2014

Examples of multithreaded programs

• Embedded systems – Elevators, Planes, Medical systems, Wristwatches – Single Program, concurrent operations

• Most modern OS kernels

– Internally concurrent because have to deal with concurrent requests by multiple users

– But no protection needed within kernel

• Database Servers – Access to shared data by many concurrent users – Also background utility processing must be done


Examples of multithreaded programs (con’t) • Network Servers

– Concurrent requests from network – Again, single program, multiple concurrent operations – File server, Web server, and airline reservation systems

• Parallel Programming (More than one physical CPU)

– Split program into multiple threads for parallelism – This is called Multiprocessing

• Some multiprocessors are actually uniprogrammed:

– Multiple threads in one address space but one program at a time


Classification

• Real operating systems have either – One or many address spaces – One or many threads per address space

Mach, OS/2, HP-UX, Win NT to 8, Solaris, OS X, Android, iOS

Embedded systems (Geoworks, VxWorks,

JavaOS,etc) JavaOS, Pilot(PC)

Traditional UNIX MS/DOS, early Macintosh

Many

One

# threads Per AS:

Many One

# of

add

r sp

aces

:

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