[Operating System] 프로세스 (Process)

반효경 교수님의 운영체제 강의를 듣고 정리하였습니다.

프로세스의 개념

• "Process is a program in execution."
  • 프로세스는 실행중인 프로그램이다.
• 프로세스의 문맥(context)
  • 프로세스의 현재 상태를 의미한다.
  • (1) CPU 수행 상태를 나타내 하드웨어 문맥
    • Program Counter
    • 각종 register
  • (2) 프로세스의 주소 공간
    • code, data, stack
  • (3) 프로세스 관련 커널 자료 구조
    • PCB(Process Control Block)
    • Kernel Stack
      • 커널 스택은 프로세스마다 하나씩 생성
      • 목적
        • Kernel Mode로 전환된 프로세스가 다시 User Mode로 돌아가기 위해 필요한 정보 저장
        • Kernel Mode에서 함수 호출 시 그 함수의 지역 변수는 Kernel Stack에 할당
• 실행(execution) 과정
  • 프로세스가 실행되면 그 프로세스만의 독자적인 공간을 갖는다.
  • CPU를 할당받으면 program counter가 그 프로세스 code의 한 부분을 가리킨다.
  • CPU는 매 클럭마다 instruction을 읽고 ALU 연산 후 Register 혹은 Memory에 저장한다.

 

프로세스의 상태

• 프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다
  • Running
    • CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
  • Ready
    • CPU 기다리는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
  • Blocked(wait, sleep)
    • I/O 등의 event를 (스스로) 기다리는 상태
    • 예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
  • Suspended(stopped)
    • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 중지된 상태
    • 프로세스는 통째로 디스크에 swap out 된다.
    • 예) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (break key)
      • 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킨 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)
  • Blocked vs Ready
    • Blocked: 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
    • Suspended: 외부에서 resume해 주어야 Active
  • New
    • 프로세스가 생성중인 상태
  • Terminated
    • 수행(Execution)이 끝난 상태

 

프로세스 상태도

(사진 출처: KOCW)

 

 

Process Control Block (PCB)

• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보

(사진 출처: KOCW)

• 다음의 구성 요소를 가진다(구조체로 유지)
  • (1) OS가 관리상 사용하는 정보
    • Process state, Process ID
    • scheduling information, priority
  • (2) CPU 수행 관련 하드웨어 값
    • Program counter, registers
  • (3) 메모리 관련
    • Code, data, stack의 위치 정보
  • (4) 파일 관련
    • Open file descriptors

 

문맥 교환(Context Switch)

• CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정
• CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행
  • CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 그 프로세스의 PCB에 저장
  • CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

 

• System call이나 Interrupt 발생 시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아님(사진 출처: 깃허브 블로그)
  • (1)의 경우에도 CPU 수행 정보 등 context의 일부를 PCB에 save해야 하지 문맥교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 큼 (eg. cache memory flush)

 

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• Job Queue
  • 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready Queue
  • 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device queues
  • I/O Device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합
• 프로세스들은 각 큐들을 오가며 실행된다.

 

스케줄러(Scheduler)

• Long-term scheduler(장기 스케줄러 or job scheduler)
  • 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
  • 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어
    • time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음(무조건 ready)
• Short-term scheduler(단기 스케줄러 or CPU scheduler)
  • 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬 지 결정
  • 프로세스에 CPU를 주는 문제
  • 충분히 빨라야 함(millisecond 단위)
• Medium-Term scheduler(중기 스케줄러 or Swapper)
  • 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
  • 프로세스에게서 Memory를 뺏는 문제
  • degree of Multiprogramming을 제어

 

확장된 프로세스 상태도

(사진 출처: KOCW)