[리눅스 개발환경] 23. 리눅스 커널 Task

[tonykang22]

리눅스 커널 Task

프로세스와 Task

• System call을 이용해 Kernel의 자원을 할당 및 이용이 가능하게 된다.
• 실제 프로세스를 나타내는 자료구조를 Kernel 내에서는 task라는 용어로 불린다.
  • 이 task를 나타내기 위한 자료구조가 task_struct이다.

• 각각의 프로세스와 스레드는 kernel 내에서 task_struct라는 구조체가 할당되어 있다.
• 멀티 프로세스 환경에서, 특정 시점에 할당할 task는 Scheduler의 정책에 의해 task_struct 구조체 정보를 통해 작업을 수행한다.
  • Scheduler에 의해 CPU에 할당된다.

task_struct 자료구조 (/include/linux/sched.h - struct task_struct)

• task idnetification
  • task를 인식하기 위한 변수
  • pid : task id
  • tgid : 스레드 그룹 id
  • pid를 통해 task의 task_struct를 찾기 위해 해시 관련 필드
  • 접근 권한 제어 필드 : uid(사용자 ID), euid(유효 사용자 ID), suid(저장된 사용자 ID), fsuid(파일시스템 사용자 ID)
• state
  • task의 생성부터 소멸까지 상태 관리를 위한 변수
    • task 또한 생명 주기가 중요하다.
  • TASK_RUNNING(0)
  • TASK_INTERRUPTIBLE(1)
  • TASK_UNINTERRUPTIBLE(2)
  • TASK_STOPPED(4)
  • TASK_TRACED(8)
  • TASK_DEAD(16)
  • TASK_ZOMBIE(32)
• task relationship
  • task 가족 관계
  • real_parent : 현재 task를 생성한 부모 task의 task_struct 구조체를 가리킨다.
  • parent : 현재 부모 task의 task_struct 구조체를 가리킨다.
  • children : 자식 task의 리스트
  • sibling : 형제 task의 리스트
• scheduling information
  • 스케쥴링 관련 변수
  • prio, policy, cpus_allowd, time_slice, rt_priority
• signal information
  • 시그널 관련 변수
  • signal, sighand, blocked, pending
• memory information
  • 명령어와 데이터를 text, data, stack, heap 공간에 저장
  • 이 공간에 대한 위치, 크기, 접근 제어 정보 등을 관리하는 변수
  • 가상 주소를 물리 주소로 변환하기 위한 디렉토리와 페이지 테이블 등의 주소 변환 정보
  • mm_struct
• file information
  • files_struct files : task가 open한 파일 접근
  • fs_struct fs : 루트와 현재 디렉토리의 inode 접근
• thread struct
  • 스레드 구조 TSS(thread_struct)
  • 문맥 교환을 수행할 때 task가 현재 어디까지 수행되었는지 기억하는 공간
• time information
  • task의 시간 정보를 위한 변수
  • start_time, real_start_time
• format
  • 바이너리 실행 포멧 정보 (linux, bsd, svr4 포멧 실행 정보)
• resource limits
  • task가 사용할 수 있는 자원의 한계
  • rlim_max : 최대 허용 자원의 수
  • rlim_cur : 현재 설정된 허용 자원의 수

상태 전이

• task_struct의 state가 상태 전이 정보를 가지고 있다.
• System call 등에 의해 signal을 받으면 STOPPED 상태가 될 수도 있다.
• TASK_UNINTERRUPTIBLE은 $ kill -9 등의 signal에 의해 중지될 수 없는 상태이다.

스케쥴링

• 스케쥴링 : 대기 상태의 task들 중 특정 task를 선택하여 CPU 자원에 할당하는 과정을 의미한다.
  • 우선순위 140 단계
  • 실시간 task : 0 ~ 99 단계
  • 일반 task : 100 ~ 139 단계
• 런 큐(Runqueue)
  • 수행 가능한 상태의 task를 자료구조로 관리 (kernel/sched/sched.h - struct rq)
  • CPU 당 하나의 런 큐가 유지된다.
  • 부모 프로세스가 생성한 자식 프로세스는 동일한 CPU의 런 큐에 삽입된다.
    • 캐시 친화력(Cache Affinity)이 있다.
      • 다시 모든 참조 정보들 까지 복사하지 않아도 되기 때문이다.
    • 대기 상태에서 깨어난 프로세스도 대기 전의 CPU의 런 큐에 삽입된다.

• 실시간 task 스케쥴링
  • SCHED_FIFO: 타임 슬라이스 기반, 동일한 우선순위가 없는 경우의 RR
  • SCHED_RR: 타임 슬라이스 기반, 동일한 우선순위 경우 타임 슬라이스 다 쓸 때까지
  • SCHED_DEADLINE: deadline이 가장 가까운(가장 급한) task를 스케줄링 대상으로 선정
    • 우선순위 task_struct 구조체의 rt_priority 필드 (0 ~ 99)
• 일반 task 스케쥴링
  • SCHED_NORMAL(CFS : Completely Fare Scheduler) : N개의 프로세스가 모두 동일한 시간대로 작업되게 하는 것과, 다른 작업에 비해 작업 시간이 적게 지정된 작업에 실행 시간이 주어져야 한다는 것을 목표로 한다. (공평성을 목적으로 한다.)
    • 과거에는 O(1) 스케쥴러를 사용했으나 그 이후 CFS를 사용
  • SCHED_IDLE: 중요도 낮은 일을 수행하는 태스크가 CPU 점유하는 것을 막기 위해 가장 낮은 우선순위로 스케줄링
  • SCHED_BATCH: 사용자와 상호 작용이 없는 CPU 중심의 일괄 작업(batch job) 태스크를 위한