【Linux カーネル: OS 入門２】CPU、プロセス管理

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プロセスとは

プロセスの構造

プロセスは、以下のようにセグメント (分類) に分けて、メモリ上に配置します。

プロセス管理とは

プロセス管理は、１つのプロセスが CPU を独占して、他のプロセスが動かなくなる事を防ぎます

プロセス管理では、以下の３つの仕組みを利用します。

• プロセスの状態遷移：プロセスの状態を定義
• PCB (Process Control Block)：プロセスの状態などを記録したブロック
• CPU スケジューラー (短期スケジューラー)：CPU にプロセスを割り当て (プロセスの状態を変更)

一時中断したプロセスを再開するには、「前回どこまで処理したか」という情報が必要です。

この情報は PCB と呼ばれるブロックに保存します。

PCB はプロセスの再開時に利用されます。

PCB の内容は以下のとおりです。

項目	説明
Process ID	プロセスを一意に識別する番号 (PID)
State	現在のプロセスの状態
Pointer	親プロセスのポインタ
Priority	プロセスの優先度
Program	次に実行する命令のポインタ
CPU registers	「実行中」状態のプロセスのレジスタの値（？）
I/O Information	プロセスに割り当てられた I/O デバイスのリスト
Accounting information	プロセスの実行に使用されるCPUの量、時間制限、実行ID

CPU スケジューラーが、ディスパッチ・プリエンプションするプロセスは、スケジューリングアルゴリズムによって決定します。

スケジューリングアルゴリズム

スケジューリングアルゴリズムには、主に以下の４つが存在します。

• First Come First Serve (FCFS)
• Shortest Job Next (SJN)
• Priority Based Scheduling
• Round Robin Scheduling

FCFS は、以下の特徴を持ちます。

• FIFO(First In First Out) キューにて実装
• non-preemptive（割り込み不可能）
• 平均待ち時間が長い

平均待ち時間: (0+4+6+13) / 4 = 5.75

SJN は、以下の特徴を持ちます。

• 平均待ち時間を最小に抑えるためのアルゴリズム
• non-preemptive（割り込み不可能）
• CPU 処理時間を事前に知っている（もしくは計算する）必要があります

平均待ち時間: (0 + 4 + 12 + 5)/4 = 21 / 4 = 5.25

Priority Based Scheduling は、以下の特徴を持ちます。

• 同じ優先度のプロセスは先着順です
• 優先度は、メモリ要件、時間要件等に基づいて決定します

平均待ち時間: (0 + 10 + 12 + 2)/4 = 24 / 4 = 6

なお、プロセスの優先度は以下のコマンドの結果の PRI 列で確認可能です。（低いほうが優先度が高い）

F   UID   PID  PPID PRI  NI    VSZ   RSS WCHAN  STAT TTY        TIME COMMAND
1     0     2     0  20   0      0     0 -      S    ?          0:01 [kthreadd]
1     0     4     2   0 -20      0     0 -      I<   ?          0:00 [kworker/0:0H]

PRI は NI（nice 値）を元に決定するため、nice コマンドにてプロセスの優先度を変更可能です。

Round Robin Scheduling は以下の特徴を持ちます。

• preemptive（割り込みが発生する）ため、プロセスが並行して動作可能
• クオンタムの期間が終了すると、割り込みが発生し次のプロセスに処理が移る

クオンタムが３だとすると、３経過ごとにプロセスが切り替わる。

平均待ち時間: (9+2+12+11) / 4 = 8.5

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プロセスの確認コマンド

USER       PID %CPU %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
root         1  0.0  0.0  43920  5732 ?        Ss    2021   4:40 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserializ
root         2  0.0  0.0      0     0 ?        S     2021   0:00 [kthreadd]

スレッドとは

プロセスとスレッドの違い

以下に MySQL プロセスと、MySQL プロセスが持つスレッドの関係を示します。

プロセスとスレッドの違いを表にまとめると以下のとおりです。

スレッドの確認コマンド

USER       PID   LWP %CPU NLWP %MEM    VSZ   RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
(中略)
mysql    29942 29942  0.0   28  2.2 1382864 181528 ?      Sl   09:45   0:00 /usr/sbin/mysqld --daemonize --pid-file=/var/run/mysqld/mysqld.pid
mysql    29942 29943  0.0   28  2.2 1382864 181528 ?      Sl   09:45   0:00 /usr/sbin/mysqld --daemonize --pid-file=/var/run/mysqld/mysqld.pid
mysql    29942 29944  0.0   28  2.2 1382864 181528 ?      Sl   09:45   0:00 /usr/sbin/mysqld --daemonize --pid-file=/var/run/mysqld/mysqld.pid
(中略)

CPU とは

CPU の処理の種類

CPU で並列処理するには、以下の方法が存在します。

CPU 確認コマンド

CPU の情報は、lscpu (もしくは cat /proc/cpuinfo) コマンドで確認可能です。

CPU:                                 2 //論理 CPU の（スレッドの割り当て可能な）数
オンラインになっている CPU のリスト: 0,1
コアあたりのスレッド数:              2 //ハイパースレッディングによる見せかけのコア数
ソケットあたりのコア数:              1 //1CPUに含まれるコア数
ソケット数:                          1 //物理 CPU （実際の CPU）の数

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参考サイト

本記事は以下のサイトを参考にしました。

Operating System - Processes

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