[Operating System] 프로세스는 어떻게 다루어지는가?
🚀 프로세스의 관리
1️⃣ 프로세스
프로세스(Process) : 디스크에서 실행 파일(.exe) 형태로 존재하던 프로그램이 메모리에 올라가서 실행 중인 프로그램이다.
2️⃣ 프로세스 상태
엄마( 스케줄러 ) : “ 나와서 밥(CPU)먹어라!! “
나 (프로세스) : “ 나 게임 중 !! 할 거 없는 형(프로세스) 먼저 줘 ~ “
밥은 무한리필되는 한 공기… 노잼인 듯ㅋㅋ
[ 프로세스의 상태 변화도 ]
CPU제어권을 아무 프로세스에게 줄 수 없다. 왜냐하면 CPU제어권을 획득하더라도 입출력을 기다리고 있는 프로세스는 아무런 작업을 수행할 수 없다. 이는 CPU자원의 낭비이다. 따라서 프로세스마다 각자의 상태를 정의할 필요가 있다.
| 프로세스 상태 | 설명 |
|---|---|
| 실행(Running) | 프로세스가 CPU제어권을 가지고, 명령을 수행 중인 상태. |
| 준비(Ready) | CPU만 보유하면 당장 명령을 수행할 수 있는 상태. (다른 조건 모두 충족) |
| 봉쇄(Blocked, Wait, Sleep) | CPU제어권을 가지더라도, 명령을 수행할 수 없는 상태. |
| 시작(New) | 프로세스를 위한 각 종 자료구조는 생성되었지만 메모리는 획득하지 못한 상태. |
| 완료(Terminated) | 프로세스는 종료되었으나, 운영체제가 그 프로세스와 관련된 자료구조를 정리하지 못한 상태. |
| 중지(Suspended) | 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태. 메모리를 통째로 빼앗기고 디스크로 스왑 아웃된 상태. |
4️⃣ 프로세스의 문맥
시분할 시스템 환경에서는 CPU를 한 프로세스가 독점하는 것을 방지하기 위해 Time Interrupt를 이용하여 CPU제어권을 사용자 프로세스에서 빼앗는다. CPU제어권은 커널에게 넘어가며, 커널은 Ready상태의 프로세스에 CPU를 다시 넘겨준다. 그리고 다시 처음의 프로세스가 CPU제어권을 받으면 명령 수행을 재개한다.
CPU : “ 그런데 내가.. 어디까지 문제를 풀었더라? 프로세스 문맥을 확인해야겠군…”
프로세스의 문맥(Process Context) : 현재 프로세스의 상태를 정확히 규명하기 위한 정보.
프로세스 문맥은 아래와 같이 크게 3가지로 분류가능하다.
-
하드웨어 문맥 : CPU의 수행 상태 정보이다. ( Program counter값, 각 종 Register값 )
-
프로세스의 주소 공간 : 코드/데이터/스택 로 구성된 프로세스의 독자적인 주소 공간 정보이다.
-
커널상의 문맥 : 커널 또한 코드/데이터/스택 으로 구성된 커널의 독자적인 주소 공간이 있고,
커널의 스택공간에 프로세스를 관리하기 위한 자료구조 PCB(Process Control Block)를 뜻한다.
프로세스 제어 블록(Process Control Block : PCB) : 운영체제가 시스템내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 정보들을 담는 커널 내의 자료구조.
- 프로그램의 상태
- 프로그램 카운터
- CPU 레지스터 값
- CPU 스케줄링 정보
- 메모리 관리 정보
- 자원 사용 정보
- 입출력 상태 정보
위의 정보를 담는 자료구조.
문맥교환(Context Switch) : 현재 프로세스의 문맥을 저장하고 새로운 프로세스의 문맥을 세팅하는 과정.
사용자모드(프로세스 A) — 커널모드(Kernel) — 사용자모드 (프로세스 B)
-
문맥교환이 발생 요인 :
Time Interrupt, System call(I/O)
- 문맥교환의 과정 :
- 프로세스에서 Time Interrupt 및 System call(I/O) 발생.
- 사용자 모드에서 커널 모드로 실행 모드 변경. (CPU제어 커널)
- 프로세스의 문맥을 PCB에 저장 / 프로세스의 상태가 봉쇄(Blocked)로 변경
- 커널이 대기(Ready)상태의 프로세스의 PCB정보를 하드웨에 세팅
- 커널모드에서 사용자모드로 실행 모드 변경. (CPU제어 사용자)
-
cf. 문맥교환이 아닌 것 :
사용자모드(프로세스 A) — 커널모드(Kernel) — 사용자모드 (프로세스 A)
Interrupt, System call을 통해 커널모드의 서비스만 받은 후 복귀하는 경우
💡오버헤드 : 어떤 일 처리를 위해 간접적으로 들어가는 시간 및 메모리.
문맥교환중에 일어나는 작업은 실제 시스템에서 오버헤드가 큼.
따라서 문맥교환이 빈번하게 발생하지 않도록 CPU할당시간(Time Interrupt)를 늘려야하지만
너무 크게 세팅하면 시분할 시스템의 의미가 사라진다.
5️⃣ 프로세스 스케줄러
스케줄러(scheduler) : 어떤 프로세스에게 자원을 할당할지를 결정하는 운영체제 커널의 코드.
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장기 스케줄러(long term)
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작업 스케줄러라고 하기도함.
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시작 상태의 프로세스들 중 어떠한 프로세스를 준비 큐에 삽입할 것 인지를 결정하는 역할.
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현대 시분할 시스템에서는 장기스케줄러를 두지 않는 경우가 대부분이다. (메모리 용량이 발전했기 때문)
-
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단기 스케줄러(short term)
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CPU 스케줄러라고 하기도함.
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준비 상태의 프로세스들 중 어떤 프로세스를 다음에 실행할지를 결정하게 된다.
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중기 스케줄러(medium term)
-
너무 많은 프로세스에게 메모리를 할당해 시스템이 저하되는 것을 막기 위해 메모리에 적재된 프로세스의 수를 동적으로 조절하기 위해 추가된 스케줄러.
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메모리에 많은 시스템이 올라가 있을 경우, 프로세스중 일부를 선정해 이들의 메모리를 통째로 빼앗아 그 내용을 디스크의 스왑 영역에 저장한다. — 스왑 아웃(Swap Out)
스왑 아웃의 0순위 프로세스는 봉쇄 상태의 프로세스들이다. 그럼에도 불고하고 메모리가 부족한 경우 타이머 인터럽트가 발생해 준비 큐로 이동하는 프로세스를 추가적으로 스왑아웃시킴.
위의[ 프로세스의 상태 변화도 ]그림 을 참고하자!!
-
6️⃣ 프로세스 생성
프로세스 생성 단계
- 새로운 프로세스에 식별자 할당.
- 프로세스 정보(PCB)와 주소공간 자료구조 생성.
- PCB 초기화(프로세스 상태 정보, 프로그램 카운터, 스택, 포인터등의 초기화)
- 준비 큐에 삽입.
부모 프로세스 & 자식 프로세스 계층관계
최초의 프로세스는 운영체제가 직접 생성.
그 다음부터는 이미 존재하는 프로세스가 다른 프로세스를 복제 생성.
프로세스를 생성한 프로세스를 **부모 프로세스**, 그 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 **자식 프로세스**라고 한다.
프로세스 생성 시스템 API
| 프로세스 생성 시스템 API | 설명 |
|---|---|
| fork() | fork()를 호출한 프로세스와 똑같은 프로세스를 생성함. 식별자를 제외한 모든 문맥을 동일하게 가짐. |
| exec() | 프로세스가 지금까지 수행했던 상태를 잊고, 그 주소공간을 완전 새로운 프로그램으로 덮어씌운 후 프로그램의 첫 부분부터 다시 실행을 시작. |
| exit() | 운영체제에게 자신이 종료됨을 알림. |
| wait() | wait()을 호출하면 자식 프로세스가 종료되기를 기다림. |
| abort() | 부모의 프로세스가 자식의 프로세스를 강제로 종료시킴.(비자발적 종료) |
프로세스 생성과 관련된 fork(), exec()등은 특권 명령이다. 시스템콜로 대행 요청해야함.
7️⃣ 프로세스 협력
IPC(Inter-Process Communication) : 실행 중인 서로 다른 프로세스 간에 발생하는 통신과 동기화를 이루기 위한 매커니즘을 말한다.
크게 메세지 전달하는 방식과 공유메모리 방식이 있다.
메세지 전달 방식(message passing)
두 프로세스의 주소공간이 다르므로 커널이 send(message), receive(message)라는 연산을 제공.
전달하고자는 메세지를 시스템콜을 이용하여 커널이 대신 수행해줌.
-
직접 통신(direct communication)
링크를 정확히 한 쌍의 프로세스에게 할당. 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시한다.
-
간접 통신(indirect communication)
메세지를 메일박스 또는 포트로 부터 전달 받는다. 메일박스에는 고유의 ID가 있으며 메일박스를 공유하는 프로세스들끼리 통신이 가능하다.
공유 메모리 (shared memory)
원칙적으로 프로세스의 메모리는 독자적인 공간을 지니고 있으나, 운영체제는 공유메모리를 사용하는 시스템 콜을 지원한다.
서로다른 프로세스들이 그들의 주소 공간 중 일부를 공유할 수 있도록 한다.
프로세스간의 통신을 수월하게 만들지만 서로의 데이터에 일관성 문제가 유발될 수 있다. (커널이 책임을 지지 않음.)
[ REF ]
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