운영체제(Operating System) - 프로세스

 

 

프로세스

• 포그라운드 프로세스: 사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스
• 백그라운드 프로세스: 사용자가 볼 수 없는 공간에서 실행되는 프로세스
  • 사용자와 직접 상호작용이 가능한 백그라운드 프로세스
  • 사용자와 상호작용하지 않고 그저 정해진 일만 수행하는 프로세스(데몬, 서비스)

 

프로세스 제어 블록

모든 프로세스는 실행을 위해 CPU가 필요하다.

하지만 CPU의 자원은 한정되어 있다 -> 프로세스들은 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU 이용

- 자신의 차례에 정해진 시간만큼 CPU 이용

- 타이머 인터럽트가 발생하면 차례 양보

 

빠르게 번갈아가며 수행되는 프로세스들을 관리해야하는데, 이를 위해 사용하는 것이 프로세스 제어 블록(PCB)이다.

- 프로세스 관련 정보를 저장하는 자료 구조

- 옷 상품에 달린 태그와 같은 정보

- 프로세스 생성 시 커널 영역에 생성, 종료 시 폐기

 

PCB는 사용자 영역이 아니라, 커널 영역에 적재되어 있는 자료 구조

 

PCB에 담기는 대표적인 정보

• 프로세스 ID(PID): 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유 번호(학교 학번, 회사 사번)
• 레지스터 값: 프로세스는 자신의 실행 차례가 오면 이전까지 사용한 레지스터 중간 값 모두 복원 -> 실행 재개
• 프로세스 상태: 입출력 장치를 사용하기 위해 기다리는 상태, CPU 사용하기 위해 기다리는 상태, CPU 이용중인 상태 등등...
• CPU 스케줄링 정보: 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보
• 메모리 정보: 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보, 페이지 테이블 정보(메모리 주소 알 수 있는 정보
• 사용한 파일과 입출력장치 정보: 할당된 입출력장치, 사용중인 파일 정보

 

Context Switch(문맥 교환)

프로세스 A에서 프로세스 B로 실행 순서가 넘어가면 어떻게 될까?

기존에 실행되던 프로세스 A는 지금까지의 중간 정보를 백업

뒤이어 실행할 프로세스 B의 문맥을 복구

• 프로그램 카운터 등 각종 레지스터 값, 메모리 정보, 열었던 파일, 사용한 입출력 장치 등
• 이러한 중간 정보 == 문맥(Context)
• 다음 차례가 왔을 때 실행을 재개하기 위한 정보

즉, 기존의 실행중인 프로세스 문맥을 백업하고 새로운 프로세스 실행을 위해
문맥을 복구하는 과정을 Context Switch 라고 한다.

 

 

 

프로세스가 사용자 영역에는 어떻게 저장될까?

 

프로세스의 메모리 영역

프로세스의 메모리 영역은 크게 코드 영역(텍스트 영역), 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역으로 구분된다.

 

1. 코드 영역(텍스트 영역)
   
   • 기계어로 이루어진 명령어가 저장된 영역
   • 데이터가 아닌, CPU가 실행할 명령어가 담기기 때문에 쓰기가 금지된 구역(read-only)
2. 데이터 영역
   • 잠깐 썼다가 없앨 데이터가 아닌, 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터 저장
   • e.g) 전역 변수
3. 힙 영역(동적 할당 영역)
   • 프로그램을 만드는 사용자, 즉 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장공간
4. 스택 영역(동적 할당 영역)
   • 데이터가 일시적으로 저장되는 공간
   • e.g) 매개 변수, 지역 변수

 

힙 영역과 스택 영역은 동적 할당 영역 -> 따라서 크기가 가변적
힙 영역: 낮은 주소 -> 높은 주소로 할당
스택 영역: 높은 주소 -> 낮은 주소로 할당

 

 

프로세스의 상태

운영체제는 프로세스의 상태를 PCB에 기록해서 관리

대부분의 운영체제는 프로세스들을 계층적으로 관리

• 생성 상태
  • 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당 받은 상태
  • 준비가 완료됐으면 준비 상태로
• 준비 상태
  • 당장이라도 CPU를 할당받아 실행할 수 있지만
  • 자신의 차례가 아니기에 기다리는 상태
  • 자신의 차례가 된다면 실행 상태로 (디스패치)
• 실행 상태
  • CPU를 할당받아 실행중인 상태
  • 할당된 시간 모두 사용 시(타이머 인터럽트 발생 시) 준비 상태로
  • 실행 도중 입출력장치를 사용하면 입출력 작업이 끝날 때까지 대기 상태로
• 대기 상태
  • 프로세스가 실행 도중 입출력장치를 사용하는 경우
  • 입출력 작업은 CPU에 비해 느리기에 이 경우 대기 상태로 접어듬
  • 입출력 작업이 끝나면(입출력 완료 인터럽트를 받으면) 준비 상태로
• 종료 상태
  • 프로세스가 종료된 상태
  • PCB, 프로세스의 메모리 영역 정리

 

 

프로세스 계층 구조

프로세스 실행 도중(시스템 호출을 통해) 다른 프로세스 생성 가능

새 프로세스를 생성한 프로세스: 부모 프로세스

부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스: 자식 프로세스

 

부모 프로세스와 자식 프로세스는 별개의 프로세스이므로 각기 다른 PID를 가짐

일부 운영체제에서는 자식 프로세스의 PCB에 부모 프로세스 PID(PPID)를 명시하기도 함

자식 프로세스는 또 다른 자식 프로세스를 낳을 수 있음 -> 프로세스의 계층적인 구조 형성

 

 

프로세스 생성 기법

부모 프로세스는 자식 프로세스를 어떻게 만들어내고, 자식 프로세스는 어떻게 자신만의 코드를 실행할까?

-> 복제와 옷 갈아입기

• 부모 프로세스는 fork 시스템 호출을 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성
• 자식 프로세스는 exec 시스템 호출을 통해 자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 교체