[운영체제 OS] Process

1. 프로세스의 정의 및 구조

1-1. 프로세스(Process)의 개념

• 정의: 실행 중인 프로그램. 정적인 프로그램 파일이 메모리에 적재되어 동적으로 활동하는 상태를 의미.
• 특징: PC(Program Counter), 레지스터 상태, 할당된 자원 등을 포함하는 동적 개체(Active Entity)이자 '활동의 단위'.
• 프로그램 vs 프로세스: 
  • 프로그램: 보조기억장치에 저장된 정적인 코드와 데이터의 묶음(Passive).
  • 프로세스: 실행을 위해 메모리에 올라와 CPU를 사용하는 능동적인 상태(Active).

1-2. 프로세스 구성 요소(Process Elements)

모든 정보는 보통 프로세스 제어 블록(PCB)이라는 데이터 구조체에 저장.

• 식별자 (Identifier):
  • 프로세스 ID(PID): 운영체제가 프로세스를 고유하게 식별하기 위해 부여하는 번호.
  • 부모 프로세스 ID: 프로세스를 생성한 부모 프로세스의 ID.
• 상태 (State): 프로세스의 현재 상태. 준비(Ready), 실행(Running), 대기(Waiting), 종료(Terminated) 등이 있다.
• 우선순위 (Priority): CPU 스케줄링을 위해 사용되는 값. 우선순위가 높은 프로세스가 CPU 를 먼저 할당받는다.
• 프로그램 카운터 (Program Counter): 다음에 실행될 명령어의 주소를 저장하는 레지스터. 프로세스가 실행을 중단하고 다시 재개될 때, 이 값을 통해 중단된 지점부터 실행을 계속할 수 있다.
• 메모리 포인터 (Memory Pointers): 프로세스의 코드, 데이터, 스택 등이 메모리의 어느 위치에 있는지 가리키는 포인터. 이를 통해 운영체제는 프로세스의 메모리 영역을 관리.
• 문맥 데이터 (Context Data): CPU 의 레지스터 값을 포함. 프로세스가 CPU에서 실행되다가 중단되면, 모든 레지스터의 상태가 여기에 저장. 이후 다시 실행될 때 저장된 값을 복원하여 이전에 중단된 지점부터 정확하게 작업을 재개할 수 있다. 이를 문맥 교환 (Context Switching)이라고 함.
• 입출력 상태 정보 (I/O Status Information): 프로세스에 할당된 입출력 장치와 열려있는 파일 목록 등 입출력 관련 정보를 포함.
• 어카운팅 정보 (Accounting Information): 프로세스가 사용한 CPU 시간, 실제 실행 시간, 자원 사용량 등 시스템 사용 통계 정보를 기록.

1-3. 프로세스 이미지 (Process Image)

프로세스 이미지는 프로세스가 실행되기 위해 메모리에 적재된 모든 정보의 총체를 의미.

1. 프로그램 (Program):

• 코드(Code) 또는 텍스트(Text) 영역이라고도 불림.
• 프로세스가 실행할 실제 명령어들이 저장된 영역.

2. 데이터 (Data):

• 전역 변수와 정적 변수 등 프로그램에서 사용되는 모든 데이터가 저장된 영역.

3. 스택 (Stack):

• 함수 호출, 매개 변수, 지역 변수 등 함수 실행과 관련된 임시 데이터가 저장되는 영역.

4. PCB (Process Contol Block):

프로세스의 모든 속성들을 담고 있는 데이터 구조체.

• 프로세스 식별 정보 (Process ID, Parent ID 등): 프로세스를 고유하게 구분하는 정보.
• 처리기 상태 정보 (Processor State Information): 레지스터 값, 프로그램 카운터 등 CPU 의 현재 상태와 관련된 정보.
• 프로세스 제어 정보 (Process Control Information): 프로세스의 상태 (실행 , 준비 등), 우선순위, 할당된 자원 목록 등 운영체제가 프로세스를 관리하는 데 필요 한모든 정보.

1-4. 프로세스 관리

1. 처리기 이용률 극대화 (CPU Utilization)

• 운영체제는 여러 프로세스들이 CPU를 번갈아 사용하도록 인터리빙(interleaving) 방식으로 스케줄링해야 함.

2. 자원 할당 및 교착 상태 회피

• 응용 프로그램의 중요도에 따라 우선순위(priority)를 부여하여 중요한 프로세스가 먼저 자원을 얻을 수 있도록 함.
• 동시에 교착 상태(Deadlock)와 같은 심각한 오류를 회피하며 시스템의 안정성을 보장해야 함.

3. 프로세스 간 통신 (IPC) 및 생성 지원

• 운영체제는 서로 다른 프로세스들이 데이터를 주고받을 수 있는 프로세스 간 통신기능을 제공해야 함.

2. 프로세스 상태 모델

2-1. 2 - 상태 프로세스 모델

• 수행(Running) 상태: 프로세스가 CPU를 할당받아 명령을 실행하고 있는 상태.
• 비수행(Not-running) 상태: 프로세스가 실행 대기 중이거나 다른 작업을 기다리고 있는 상태.

큐잉 다이어그램(Queuing Diagram):

• 비수행 상태의 상세 표현: 비수행 상태에 있는 프로세스들은 준비 큐(Ready Queue)라는 대기열에 줄을 서서 CPU 할당을 기다림.
• 디스패처(Dispatcher): 디스패처는 준비 큐에서 다음으로 실행할 프로세스를 선택하여 CPU에 할당하는 역할.
• 큐 엔트리: 큐에 실제 프로세스 전체가 들어가는 것이 아니라, 해당 프로세스의 프로세스 제어 블록(PCB)을 가리키는 포인터가 저장된다는 것을 의미.

2-2. 5 - 상태 프로세스 모델

운영체제는 프로세스의 생명 주기를 다음과 같이 관리한다. 

• 생성(New): 프로세스가 막 생성되어 승인을 기다리는 상태.
• 준비(Ready): CPU만 할당받으면 즉시 실행 가능한 상태.
• 수행(Running): 현재 CPU를 점유하여 명령어를 실행 중인 상태.
• 블록(Blocked/Wait): I/O 완료 등 특정 이벤트가 발생할 때까지 대기하는 상태.
• 종료(Exit): 실행을 마치고 자원을 반납하는 상태.

2-3. 보류 상태(Suspended State)의 프로세스

메모리가 부족할 때 실행되지 않는 프로세스를 디스크(Swap Space)로 잠시 옮겨두는 상태.

• 준비/보류(Ready/Suspend): 준비 상태이나 디스크에 있는 상태.
• 블록/보류(Blocked/Suspend): 이벤트를 기다리며 디스크에 있는 상태.
• 스와핑(Swapping): 메모리와 디스크 사이로 프로세스를 이동시키는 작업(Swap-out, Swap-in).

• Blocked → Blocked/Suspend:
  • I/O 작업 완료를 기다리는 블록 상태(Blocked)의 프로세스가 스와프-아웃되어 디스크로 이동하는 상태.
• Blocked/Suspend → Ready/Suspend:
  • 디스크에 있는 블록/보류 상태(Blocked/Suspend)의 프로세스가 기다리던 사건(예: I/O 완료)이 발생하여 깨어나는 상태.
• Ready/Suspend → Ready:
  • 디스크에 있는 준비/보류 상태(Ready/Suspend)의 프로세스가 활성화(activate)되어 메모리로 스와프-인되는 상태.
• Ready → Ready/Suspend:
  • 메모리에 있는 준비 상태(Ready)의 프로세스가 스와프-아웃되어 디스크로 이동하는 상태.
• New → Ready/Suspended:
  • 새 프로세스가 생성되었는데, 메모리가 부족하여 처음부터 디스크에 있는 준비/보류 상태로 이동하는 경우.
• Blocked/Suspend → Blocked:
  • 디스크에 있는 블록/보류 상태의 프로세스가 메모리로 스와프-인되어 다시 블록 상태로 돌아가는 경우.
• Running → Ready/Suspend:
  • 수행 상태(Running)의 프로세스가 시간 할당량 만료 등으로 인해 메모리에서 스와프-아웃되어 디스크의 준비/보류 상태로 가는 경우.
• 임의의 상태 → Exit:
  • 모든 상태의 프로세스는 정상 완료 또는 오류 발생 시 종료 상태(Exit)로 전이될 수 있다.

3. 문맥 교환 (Context Switching)

3-1. 문맥 교환의 발생 및 과정

CPU 제어권이 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘어가는 과정.

1. 현재 프로세스 P0​의 상태(PC, 레지스터 등)를 PCB0에 저장.

2. 운영체제가 다음 실행할 프로세스 P1​을 선택(Scheduling).

3. PCB1​에서 P1의 이전 상태 정보를 CPU 레지스터에 복원(Reload).

4. P1​이 이전에 멈췄던 지점부터 실행을 재개.

3-2. 인터럽트와 모드 전환

• 사용자 모드(User Mode): 일반 앱이 실행되는 제한된 권한 모드.
• 커널 모드(System/Kernel Mode): OS가 하드웨어를 직접 제어하는 최고 권한 모드.
• 모드 전환(Mode Switch): 시스템 콜이나 인터럽트 발생 시 권한만 바뀌는 것으로, 프로세스 교환보다 가볍다. 모든 프로세스 교환은 모드 전환을 포함하지만, 그 역은 성립하지 않는다.

4. 운영체제의 제어 구조

4-1. 주요 제어 테이블

운영체제는 시스템 관리를 위해 4가지 핵심 테이블을 유지.

테이블	주요 관리 내용
메모리 테이블	주기억장치/가상메모리 할당 현황, 메모리 보호 속성
I/O 테이블	입출력 장치 상태, 할당된 프로세스, 데이터 전송 주소
파일 테이블	파일 위치, 현재 상태(열림/닫힘), 접근 권한
프로세스 테이블	모든 프로세스의 PCB 위치 및 기본 상태 관리

 

출처

• William Stallings, 운영체제 내부구조 및 설계원리