프로세스의 개념

26 Aug 2024 in Study / about CS

이화여대 ‘반효경’교수님의 Operating Systems강의 중, ‘Process 1’강의를 수강하고 학습합니다.

‘Process is a program in excution’

프로세스(Process)는 “실행 중인 프로그램(a program in execution)”을 의미합니다. 프로그램 자체는 단순히 코드의 집합일 뿐이지만, 이 코드가 메모리에 로드되어 실행되기 시작하면, 프로세스가 됩니다. 프로세스는 운영체제에서 자원을 할당받아 CPU에서 실행되며, 이 자원은 메모리, CPU 시간, 파일, 입출력 장치 등을 포함합니다.

프로세스의 개념

프로세스의 문맥

프로세스의 문맥(Context)은 프로그램이 현재 무엇을, 어떻게 실행했는지, 그리고 현재 어떤 시점에 있는지를 나타내는 정보입니다. 문맥은 프로세스의 현재 상태를 나타내는 모든 요소를 포함합니다. 이 문맥은 프로세스가 중단되었다가 다시 시작될 때, 원래의 상태로 돌아가도록 보장하는 데 사용됩니다.

문맥의 구성 요소

CPU 수행 관련 하드웨어 문맥:
- Program Counter: 현재 실행 중인 명령어의 주소를 가리키는 레지스터입니다.
- Registers: CPU가 작업을 수행하는 데 사용하는 각종 레지스터 값입니다.
프로세스의 주소 공간:
- Code: 실행할 명령어가 저장된 영역입니다.
- Data: 전역 변수와 같은 데이터가 저장된 영역입니다.
- Stack: 함수 호출 시 매개변수, 지역 변수, 리턴 주소 등이 저장되는 영역입니다.
프로세스 관련 커널 자료구조:
- PCB (Process Control Block): 프로세스 상태를 저장하고 관리하는 구조체입니다.
- Kernel Stack: 커널 모드에서 사용할 스택 영역입니다.

프로세스의 상태 (Process State)

프로세스

프로세스 상태도

프로세스

suspended가 추가된 프로세스의 상태도

프로세스는 상태(state)를 변경하면서 실행됩니다. 일반적으로 프로세스는 다음과 같은 주요 상태를 가지게 됩니다:

Running
- CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태를 말합니다.
Ready
- CPU를 기다리는 상태를 말합니다. (‼️ 메모리 등의 다른 모든 조건을 만족하고, 오로지 CPU만을 필요로 하는 상태만을 말합니다.)
Block (wait, sleep)
- CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태를 말합니다.
- Process자신이 요청한 event(ex: I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태입니다.
- ex) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
Suspended (stopped)
- 외부족인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
- 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 됩니다.
- ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (break key)
  - 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킵니다. (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)

🙋‍♂️ 경우에 따라 생기는 상태

New: 프로세스가 생성중인 상태
Terminated: 수행(execution)이 끝난 상태 ⇒ 인스트럭션이 다 끝나서 프로세스가 종료되었지만, 종료되고 정리작업이 남아 있습니다. 이 과정을 Terminated 라고 부릅니다.

🤓 예시) 파일을 읽는 작업을 하는 프로세스 A를 예로 들어보겠습니다. 프로세스 A가 디스크에서 파일을 읽어야 할 때, 읽기 작업이 완료되기 전까지 A는 CPU에서 수행될 수 없습니다. 이때 A는 Blocked 상태가 됩니다. 파일 읽기가 완료되면 A는 다시 Ready 상태로 전환되어 CPU 할당을 기다리게 됩니다.

PCB (Process Control Block)

PCB

PCB(Process Control Block)는 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 유지하는 자료 구조입니다. PCB는 프로세스의 현재 상태와 관련된 모든 정보를 담고 있으며, 프로세스 간의 문맥 전환 시 중요한 역할을 합니다.

PCB의 주요 구성 요소

프로세스 관리 정보:
- Process State: 프로세스의 현재 상태 (Running, Ready 등)입니다.
- Process ID (PID): 프로세스를 고유하게 식별하기 위한 ID입니다.
- Scheduling Information: 우선순위, 스케줄링 큐에 대한 포인터 등입니다.
CPU 수행 관련 정보:
- Program Counter: 다음에 실행될 명령어의 주소입니다.
- Registers: 프로세스의 CPU 레지스터 값입니다.
메모리 관리 정보:
- Memory Limits: 프로세스의 주소 공간에 대한 정보 (코드, 데이터, 스택의 위치)입니다.
파일 관리 정보:
- Open File Descriptors: 프로세스가 열어 둔 파일에 대한 정보입니다.

문맥 교환 (Context Switch)

문맥교환

문맥 교환(Context Switch)은 CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정입니다. 이 과정에서 현재 실행 중인 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고, 새롭게 실행될 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어와야 합니다.

문맥 교환 과정

현재 프로세스의 상태 저장:
- 현재 실행 중인 프로세스의 레지스터 값, 프로그램 카운터 등을 PCB에 저장합니다.
새로운 프로세스의 상태 복원:
- 새로 실행될 프로세스의 PCB에서 레지스터 값, 프로그램 카운터 등을 복원해 CPU에 설정합니다.

System call이나 Interrupt 발생시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아닙니다.
- System call: 프로세스 A가 시스템 호출을 하면, 커널 모드에서 실행되다가 다시 사용자 모드로 돌아오고, 같은 프로세스 A가 계속 실행이 됩니다. 프로세스가 바뀌지 않기 때문에 context switch가 아닙니다.
- Interrupt: 인터럽트가 발생해도 현재 실행 중인 프로세스가 일시적으로 중단되고, 인터럽트 핸들러가 실행되지만, 인터럽트가 처리된 후에는 다시 같은 프로세스가 실행이 됩니다. 역시 프로세스가 바뀌지 않기 때문에 context switch가 아닙니다.

🤓 예시

) A라는 프로세스가 실행 중에 타임 슬라이스가 끝나고, B라는 프로세스가 실행될 차례가 왔다고 가정하겠습니다. 이때 A의 모든 실행 상태(문맥)가 PCB에 저장되고, B의 문맥이 복원되어 CPU에서 실행되게 됩니다. 이 과정이 문맥 교환입니다.

프로세스를 스케줄링 하기 위한 큐

스케줄링 큐

프로세스 스케줄링 큐의 모습

운영체제는 여러 프로세스를 관리하고 실행하기 위해 다양한 큐를 사용합니다. 각 큐는 프로세스의 상태에 따라 프로세스를 분류하고, 스케줄러가 이를 활용해 적절한 프로세스를 실행하게 합니다.

Job queue
- 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
Ready queue
- 메모리에 상주하며, CPU 할당을 기다리는 프로세스를 포함하는 큐입니다.
Device queues
- 특정 I/O 장치의 처리를 기다리는 프로세스를 포함하는 큐입니다.

스케줄러 (Scheduler)

운영체제에는 프로세스를 스케줄링하기 위해 다양한 스케줄러가 존재합니다. 각 스케줄러는 특정 역할을 담당하며, 프로세스의 실행을 관리합니다.

Long-term Scheduler (장기 스케줄러 또는 Job Scheduler):
- 시작 프로세스 중 어떤 것들을 메모리에 올려서 Ready Queue로 보낼지 결정합니다.
- 메모리와 자원의 할당을 관리하며, 시스템의 다중 프로그래밍 정도를 조절합니다.
Short-term Scheduler (단기 스케줄러 또는 CPU Scheduler):
- Ready Queue에서 어떤 프로세스를 다음에 실행할지 결정합니다.
- 프로세스에 CPU를 할당하는 문제를 다루며, 매우 빠르게 동작해야 합니다.
Medium-term Scheduler (중기 스케줄러 또는 Swapper):
- 여유 공간을 마련하기 위해 프로세스를 메모리에서 디스크로 스왑 아웃(swap out)하거나 스왑 인(swap in) 시킵니다.
- 시스템의 다중 프로그래밍 정도를 조절하는 역할도 합니다.

프로세스의 개념