[CS] 운영체제 (2) 프로세스

프로세스

프로세스는 실행 중인 프로그램이다. 포그라운드 프로세스와 백그라운드 프로세스로 나눌 수 있다.

 

포그라운드 프로세스

사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스. 일반적인 프로세스이다.

 

백그라운드 프로세스

사용자가 볼 수 없는 공간에서 실행되는 프로세스. 크게 사용자와 직접 상호작용이 가능한 백그라운드 프로세스와 사용자와 상호작용하지 않고 그저 정해진 일만 수행하는 프로세스가 있는데 후자를 데몬, 혹은 서비스라고 한다.

 

 

 

프로세스 제어 블록

모든 프로세스는 실행을 위해 CPU가 필요하다. 그렇지만 CPU 자원은 한정되어 있다. 따라서 프로세스들은 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU를 이용하며 타이머 인터럽트가 발생했을 때 차례를 양보한다.

 

이렇게 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스들을 관리해야 하는데 이를 위해 사용하는 자료구조가 프로세스 제어 블록이며 PCB라고 한다. (참고로 자료구조는 자료를 저장하는 하나의 형태) 마치 상품에 달린 태그와 같은 정보이며 프로세스 생성 시 커널 영역에서 생성, 종료 시 폐기한다.

 

PCB에 담기는 대표적인 정보는 다음과 같다

- 프로세스 ID (PID)

- 레지스터 값

- 프로세스 상태

- CPU 스케줄링 정보

- 메모리 정보

- 사용한 파일과 입출력장치 정보

 

 

프로세스 ID (PID)

특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호

 

레지스터 값

프로세스는 자신의 실행 차례가 오면 이전까지 사용한 레지스터 중간 값을 모두 복원해서 실행을 재개해야 하기 때문. 프로그램 카운터, 스택 포인터 등등

 

프로세스 상태

입출력 장치를 사용하기 위해 기다리는 상태, CPU를 사용하기 위해 기다리는 상태, CPU 이용 중인 상태 등등을 저장

 

CPU 스케줄링 정보

프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당 받을지에 대한 정보를 저장한다. 모든 프로세스가 같은 자원과 시간을 할당 받는게 아니기 때문이다.

 

메모리 정보

프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보. 페이지 테이블 정보 (메모리 주소를 알 수 있는 정보)

 

사용한 파일과 입출력장치 정보

할당된 입출력 장치, 사용 중인(열린) 파일 정보

 

 

 

문맥 교환 (Context Switch)

한 프로세스 A에서 다른  프로세스 B로 실행 순서가 넘어간다고 했을 때 기존에 실행되던 프로세스 A는 지금까지의 중간 정보(프로그램 카운터 등 각종 레지스터 값, 메모리 정보, 열었던 파일, 사용한 입출력장치 등)를 백업하게 되는데 이러한 중간 정보를 문맥이라고 하며 이는 다음 차례가 왔을 때 실행을 재개하기 위한 정보이다. 따라서 실행 문맥을 백업해두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있다. 그리고 다시 B의 문맥을 복구하여 자연ㅅ럽게 실행 중인 프로세스가 바뀌게 된다. 이처럼 기존의 실행 중인 프로세스 문맥을 백업하고 새로운 프로세스 실행을 위해 문맥을 복구하는 과정을 문맥 교환이라고 한다.

 

1. 프로세스 A 실행

2. 프로세스 A의 문맥을 PCB에 저장

3. 프로세스 B의 PCB로부터 문맥 가져오기

4. 프로세스 B 실행

5. 프로세스 B의 문맥을 PCB에 저장

6. 프로세스 A의 PCB로부터 문맥 가져오기

7. 프로세스 A 실행

 

위 과정에서 2,3,5,6번 과정이 문맥 교환에 해당된다.

 

 

프로세스는 사용자 영역에 다음과 같이 저장된다.

 

코드 영역

실행할 수 있는 코드, 기계어로 이루어진 명령어 저장, 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담기기에 쓰기가 금지된 영역이다. (read-only)

 

데이터 영역

잠깐 썼다가 없앨 데이터가 아닌 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터를 저장한다. (전역변수 등)

 

힙 영역

프로그램을 만드는 사용자, 즉 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장공간. 원래는 이 힙 영역을 반환해야 했으며 제대로 반환하지 않을 경우 메모리 누수가 발생했다. 요새는 카비지 컬렉션이 해준다. 일반적으로 낮은 주소부터 높은 주소로 할당한다.

 

스택 영역

데이터가 일시적으로 저장되는 공간이며 데이터 영역에 담기는 값과는 달리 잠깐 쓰다가 말 값들이 저장되는 공간, 매개 변수, 지역 변수 등. 일반적으로 높은 주소부터 낮은 주소로 할당한다.

 

코드 영역과 데이터 영역을 묶어 정적 할당 영역, 힙 영역과 스택 영역을 묶어서 동적 할당 영역(프로그램이 실행 중인 과정에서 크기가 동적으로 변할 수 있기 때문에)라고 부르기도 한다.

 

 

 

프로세스의 상태

프로세스의 상태는 다음과 같은 것들이 있다

 

생성 상태

이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당 받은 상태이며 준비가 완료 되었다면 준비 상태가 된다.

 

준비 상태

당장이라도 CPU를 할당 받아 실행 할 수 있지만 자신의 차례가 아니기에 기다리는 상태이며 자신의 차례가 된다면 실행 상태가 되는데 이를 디스패치라고 한다.

 

실행 상태

CPU를 할당 받아 실행 중인 상태이며 할당된 시간 모두 사용시, 즉 타이머 인터럽트 발생 시 준비 상태로 돌아간다. 실행 도중 입출력장치를 사용하면 입출력 작업이 끝날 때까지 대기 상태로 접어들게 된다.

 

대기 상태

프로세스가 실행 도중 입출력장치를 사용하는 경우이다. 입출력 작업은 CPU에 비해 느리기에 이 경우 대기 상태로 접어든다. 입출력 작업이 끝나면, 즉 입출력 완료 인터럽트를 받으면 준비 상태가 된다.

 

종료 상태

프로세스가 종료된 상태. PCB, 프로세스의 메모리 영역 정리

 

 

 

프로세스의 계층 구조

프로세스 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성 가능하다. 이 때 새 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스, 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다. 부모 프로세스와 자식 프로세스는 별개의 프로세스이므로 각기 다른 PID를 가진다. 일부 운영체제에서는 자식 프로세스 PCB에 부모 프로세스 PID(PPID)를 명시하기도 한다. 

 

자식 프로세스는 또 다른 자식 프로세스를 낳고 그게 계속 되며 프로세스는 계층적인 구조를 이루게 된다.

 

 

 

프로세스 생성 기법

부모 프로세스는 자식 프로세를 어떻게 만들어 내고 자식 프로세는 어떻게 자신만의 코드를 실행할까? 복제와 옷 갈아입기(fork-exec) 방법을 사용한다. 부모프로세스는 fork 시스템 호출을 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성하고 자식 프로세스는 exec 시스템 호출을 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체한다.

 

Fork 시스템 호출

자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성하라는 시스템 호출. 부모 프로세스의 자원들이 자식 프로세스에게 상속된다.

 

Exec 시스템 호출

자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰는 시스템 호출. 코드/데이터 영역은 실행할 프로그램 내용을 바뀌고 나머지 영역은 초기화

 

 

스레드

스레드는 프로세스를 구성하는 실행 흐름의 단위이다. 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있다. 즉 한 프로세스를 여러 개의 스레드로 동시에 실행할 수 있다. 실행 흐름이 하나인 프로세스를 단일 스레드 프로세스라고 하고 실행 흐름이 여러 개인 프로세스를 멀티 스레드 프로세스라고 한다. 실행 흐름이 여러 개이기 때문에 프로세스를 이루는 여러 명령어를 동시 실행할 수 있다.

 

스레드의 구성요소

스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터 값, 스택 등 실행에 필요한 최소한의 정보를 유지하고 있다.

 

 

멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

프로세스끼리는 서로의 자원을 공윻하지 않지만 스레드는 공유한다. 즉 프로세스를 fork하면 코드/데이터/힙 영역 등 모든 자원이 복제되어 저장된다. 모든 것이 동일한 프로세스 두 개가 통째로 메모리에 적재되는 것이고 fork의 횟수가 늘어날 수록 메모리에 적재되는 프로세스도 늘어난다.

 

스레드들은 각기 다른 스레드 ID, (별도의 실행을 위해 꼭 필요한) 프로그램 카운터 값을 포함한 레지스터 값, 스택을 가질 뿐 프로세스가 가지는 자원을 공유한다. 즉 PCB가 하나이다.

 

즉 정리하자면

 

프로세스끼리는 자원을 공유하지 않는다(아예 불가능한 건 아니다) -> 남남처럼 독립적으로 실행된다.

스레드끼리는 프로세스의 자원을 공유한다 -> 협력과 통신에 유리하지만 때로는 문제가 발생할 수 있다.