Process

Catatan dari CS:APP (Computer Systems: A Programmer's Perspective) §1.7.1 — tentang process, abstraksi OS untuk program yang sedang berjalan.

Lanjutan dari Operating System Mengelola Hardware.

Ilusi yang dijual process

Waktu program kayak hello jalan di sistem modern, OS menyediakan ilusi bahwa program itu satu-satunya yang jalan di mesin. Spesifiknya, ada tiga ilusi yang dijual sekaligus:

Program seolah punya akses eksklusif ke processor, main memory, dan I/O devices.
Processor seolah mengeksekusi instruksi program itu satu per satu tanpa interupsi.
Code dan data program itu seolah satu-satunya objek di memory sistem.

Ketiganya bohong. Tapi bohongnya konsisten dan rapi, jadi kita bisa nulis program tanpa mikirin ada 300 proses lain yang lagi rebutan CPU yang sama.

CS:APP nyebut ide ini sebagai salah satu gagasan paling penting dan paling sukses dalam ilmu komputer — dan itu bukan lebay.

Definisi

Process adalah abstraksi operating system untuk sebuah program yang sedang berjalan.

Bedakan baik-baik:

Program	Process
Entitas pasif — sekumpulan byte di disk	Entitas aktif — program yang lagi dieksekusi
Satu file bisa dijalankan berkali-kali	Tiap eksekusi = process terpisah dengan konteks sendiri

Concurrency

Beberapa process bisa jalan concurrently di sistem yang sama, dan masing-masing tetap merasa punya hardware sendirian.

Yang dimaksud concurrently di sini: instruksi dari satu process diselang-seling (interleaved) dengan instruksi process lain.

Di kebanyakan sistem, jumlah process yang mau jalan lebih banyak daripada jumlah CPU yang tersedia. Jadi:

Sistem tradisional (single CPU) → cuma bisa eksekusi satu program pada satu waktu, tapi bisa tampak concurrent dengan cara CPU-nya gantian antar process.
Multi-core modern → beberapa program bisa jalan benar-benar simultan, satu di tiap core.

Template:Note

Mekanisme yang bikin selang-seling ini terjadi namanya context switching.

Context dan context switch

Apa itu context

OS melacak semua informasi state yang dibutuhkan sebuah process supaya bisa jalan. Kumpulan state ini disebut context, isinya antara lain:

nilai PC (program counter) saat ini
isi register file
isi main memory milik process itu

Mekanisme switch

Di sistem uniprocessor, pada satu titik waktu CPU cuma bisa mengeksekusi kode dari satu process. Waktu OS memutuskan untuk memindahkan kontrol dari process sekarang ke process baru, dia melakukan context switch dengan tiga langkah:

Save — simpan context process yang sedang jalan
Restore — pulihkan context process yang baru
Transfer — serahkan kontrol ke process baru

Process yang baru itu lanjut persis dari titik terakhir dia berhenti. Dari sudut pandang si process, nggak ada yang terjadi — dia nggak sadar sempat "dibekukan" entah berapa lama.

Alur pada Figure 1.12

 Time    Process A                        Process B
   |     ---------                        ---------
   |     user code
   |         |
 read -->    +----> kernel code ---------------+     } context switch
   |                                           v
   |                                      user code
   |                                           |
 disk        +-------- kernel code <-----------+     } context switch
 interrupt   v
   |     user code   (return from read)
   v         |

Yang wajib diperhatiin dari diagram ini:

Switch selalu lewat kernel code. Nggak pernah ada lompatan langsung dari user code A ke user code B. Polanya selalu: user code → kernel → user code process lain.
Dua pemicu switch di gambar itu beda sifat:
- read → voluntary. Process A sendiri yang manggil system call. Karena dia bakal nunggu disk (lambat banget dibanding CPU), OS mendingan kasih CPU ke B daripada nganggur.
- Disk interrupt → involuntary, datang dari luar. Process B lagi jalan normal terus dipotong karena data yang ditunggu A udah siap.
"Return from read" itu terjadi jauh setelah read dipanggil. Dari sisi A, satu pemanggilan fungsi. Dari sisi mesin, di antaranya ada seluruh eksekusi B.

Skenario hello

Ada dua process concurrent dalam contoh ini: shell dan hello.

Awalnya shell jalan sendirian, nunggu input di command line.
Kita minta shell menjalankan hello.
Shell memenuhi permintaan itu dengan memanggil fungsi khusus bernama system call, yang menyerahkan kontrol ke OS.
OS menyimpan context shell, membuat process hello baru beserta context-nya, lalu menyerahkan kontrol ke process baru itu.
Setelah hello selesai, OS memulihkan context shell dan mengembalikan kontrol ke situ.
Shell balik nunggu input berikutnya.

Kernel

Transisi dari satu process ke process lain diatur oleh kernel — bagian dari kode operating system yang selalu resident di memory.

Waktu program aplikasi butuh tindakan dari OS (misalnya baca atau tulis file), dia mengeksekusi instruksi system call khusus yang mentransfer kontrol ke kernel. Kernel melakukan operasi yang diminta, lalu balik lagi ke program aplikasi.

⚠️

Warning
Kernel bukan process yang terpisah. Ini miskonsepsi paling umum di bab ini. Kernel adalah kumpulan kode dan struktur data yang dipakai sistem untuk mengelola semua process. Jangan cari "process kernel" di output ps — konsepnya memang bukan itu.

Kerja sama hardware dan software

Mengimplementasikan abstraksi process butuh kerja sama erat antara hardware level rendah dan software operating system. OS sendiri nggak bisa; dia butuh dukungan hardware seperti:

privilege level (user mode / kernel mode) untuk proteksi
timer interrupt supaya OS bisa merebut kembali CPU dari process yang nggak mau berhenti
MMU untuk isolasi ruang alamat

Detail cara kerjanya, dan cara aplikasi membuat serta mengendalikan process-nya sendiri, dibahas di Bab 8.

Catatan untuk kerja systems

Beberapa implikasi praktis yang nyambung ke performance:

"Context termasuk isi main memory" itu benar secara konseptual, tapi implementasinya nggak menyalin RAM. Yang benar-benar diganti waktu switch cuma pointer ke page table (di x86: register CR3). Kalau context switch beneran nyalin seluruh memory, sistem modern nggak akan pernah bisa jalan.
Biaya context switch bukan cuma save/restore register. Yang sering lebih mahal adalah efek tidak langsungnya: cache jadi dingin, TLB ke-flush, branch predictor kehilangan sejarahnya. Direct cost bisa ratusan nanodetik, indirect cost bisa jauh lebih besar.
Ini alasan CPU pinning penting di HPC. Kalau thread dibiarkan pindah-pindah core, dia kehilangan cache lokalitas dan bisa nyebrang NUMA node. Makanya ada taskset, numactl, atau OMP_PROC_BIND.
Voluntary vs involuntary switch bisa diukur. Di Linux lihat /proc/[pid]/status pada baris voluntary_ctxt_switches dan nonvoluntary_ctxt_switches, atau pakai perf stat. Rasio yang aneh sering jadi petunjuk masalah: involuntary tinggi = rebutan CPU, voluntary tinggi = banyak nunggu I/O atau lock.
Async I/O ada supaya switch-nya bisa dihindari. Pola read yang blocking di Figure 1.12 itu persis masalah yang mau diselesaikan epoll, io_uring, dan model async lainnya — satu thread bisa ngurus banyak operasi I/O tanpa harus di-switch tiap kali nunggu.

Istilah kunci

Process: Abstraksi OS untuk sebuah program yang sedang berjalan.
Concurrent: Instruksi beberapa process saling diselang-seling (belum tentu benar-benar bersamaan).
Context: Seluruh state yang dibutuhkan process untuk jalan — PC, register file, isi memory.
Context switch: Mekanisme menyimpan context process lama, memulihkan context process baru, lalu menyerahkan kontrol.
System call: Instruksi khusus yang menyerahkan kontrol dari aplikasi ke kernel.
Kernel: Bagian kode OS yang selalu resident di memory; kumpulan kode dan struktur data untuk mengelola semua process. Bukan sebuah process.

Lihat juga