Operating System - 1. Process

Operating System - 1. Process

2020, Sep 03    

1. 들어가며

  • 프로세스(Process) 정의
  • 프로세스(Process) 구성과 구조
  • Program VS Process
  • 프로세스(Process) 관리


2. 프로세스(Process) 정의

: 프로세스(process)는 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램을 말한다. 종종 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다. 여러 개의 프로세서를 사용하는 것을 멀티프로세싱이라고 하며 같은 시간에 여러 개의 프로그램을 띄우는 시분할 방식을 멀티태스킹이라고 한다. 프로세스 내부에는 최소한 하나의 쓰레드(Thread)를 가지고 있으며, 쓰레드 단위로 작업을 스케줄링하여 처리한다.

아래 그림은 프로세스의 정보가 메인메모리(CPU)에 두가지 형태로 존재할 수 있는 방식을 보여준다.

Operating-System-Process-Example

  • PCB: 운영체제가 프로세스를 관리하고 제어하기위해 프로세스의 정보들을 한 곳에 모아둔 구조체이다. 향후 문맥교환(Context Switching)에 필요하다. 프로세스 생성시 CPU에 만들어진다.
  • Process in memory: 프로세스가 실행되면서 추가되는 변수 값이나 사용되는 값들이 저장되어있는 공간이다.


3. 프로세스(Process) 구성과 구조

  • 3.1 PCB(Process Control Block)

    Operating-System-PCB-Example

    • 프로세스 아이디(Process-ID): 운영체제가 프로세스를 식별하기 위해 부여한 ID이다.
    • 프로세스 상태(Process State): CPU는 프로세스를 빠르게 교체하기 때문에 프로세스의 상태가 현재 어떤 상태인지 저장한다.
    • 프로세스 우선순위(Process Priority): 스케줄링 및 프로세스 우선순위를 저장한다.
    • Accounting Information: CPU 사용시간, 실제 사용시간을 저장한다.
    • 프로그램 카운터(Process Counter): 현재 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킨다.
    • CPU 레지스터 집합: 컴퓨터 구조에 따라서 다양한 수와 타입을 가진다. 레지스터에는 누산기, 인덱스 레지스터, 스택 레지스터 등이 있다. 나중에 프로세스가 올바르게 실행되도록 인터럽트 발생 시 저장되어야 한다.
    • 메모리 관리 정보: OS에 의해 사용되는 메모리 시스템에 따라 기준 레지스터와 한계 레지스터 값, OS의 메모리 시스템에 따라 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등을 저장.
    • 권한: 프로세스가 접근할 수 있는 자원을 결정하는 정보이다. 안드로이드의 아무 앱이나 사용자 주소록에 접근할 수 없는 것처럼.
    • 실행문맥: CPU에 지속적으로 교체되더라도, 마치 연속적으로 실행되는거처럼 보이는 이유는 이 정보를 갖고있기 때문이다.

  • 3.2 Process in Memory

    Operating-System-Process-In-Memory-Example

    • Code(Text): 텍스트 영역은 실행 명령을 포함하는 코드들이 들어가는 부분이다. 프로그램을 시작 할 때 컴파일한 프로그램이 저장되어 있고, 읽기 전용 영역이기에 프로세스가 함부로 변경 할 수 없고 변경 시 오류를 발생시킨다. 그리고 이 영역은 변경되지 않는 불변의 부분이므로 공유 할 수 있는 영역이다.
    • Data(Data & BSS): 데이터 영역은 BSS와 함께 묶어서 데이터 영역으로 칭하기도 하는데 이는 전역변수와 Static변수가 지정되는 영역이다. 초기화 되지 않은 전역변수들은 BSS에 지정된다.
    • Heap: 동적으로 사용할 데이터들이 저장된다. C언어의 경우 alloc(), calloc(), malloc() 등이 포함되며, 위의 함수들은 free()함수로 할당된 영역을 반납해줘야하므로 동적할당 영역에 속한다.
    • Stack: 스택 영역은 프로그램의 지역변수, 함수, return address 를 포함하고 있다. 함수가 호출되면 할당되었다 함수의 종료시 반납되는 영역이다.


3. Program VS Process

Program은 보조 기억장치(Hard-Drive, SSD)에 존재하며 실행되기를 기다리는 명령어(코드)와 정적인 데이터의 집합이다. 실제 하드디스크에 있는 프로그램이 실행되면 그에 상응하는 메모리가 할당이된다. 이 공간으로 바이너리코드가 올라가게 되며 이때부터 Process라고 불린다.
즉, Program은 Excutable file이고, Process는 Executing file이다.


4. 프로세스(Process)s 관리

커널 내에는 준비 큐, 대기 큐, 실행 큐 등의 자료 구조가 있으며 커널은 이것들을 이용하여 프로세스의 상태를 관리한다.

  • 4.1 프로세스 기본상태

    • 생성(New): 하드디스크에 프로그램이 저장되어 있는 상태(실행은 아직 되지 않음) 혹은 프로세스가 막 생성된 상태
    • 준비(ready): 프로세스가 CPU를 사용하고 있지는 않지만 언제든지 사용할 수 있는 상태(CPU가 할당되기를 기다리고 있으며 일반적으로 준비 상태의 프로세스 중 우선순위가 높은 프로세스가 CPU를 할당받음)
    • 실행(Running): 프로세스에 포함된 명령어가 실행되고 있는 상태
    • 대기(Waiting): 프로세스가 특정 자원이나 이벤트를 기다리는 상태
    • 지연대기(Suspended Waiting): 프로세스가 대기 상태에서 기억 장치를 잃은 상태
    • 지연준비(Suspended Ready): 프로세스가 기억장치를 제외한 다른 모든 필요한 자원들을 보유한 상태
    • 종료(Terminated): 프로세스가 실행을 완료한 상태

Operating-System-Process-State-Example

  • 4.2 프로세스 상태 변화

    :하나의 프로그램이 실행되면 그 프로그램에 대응되는 프로세스가 생성되어 준비 리스트의 끝에 들어간다. 준비 리스트 상의 다른 프로세스들이 CPU를 할당받아 준비 리스트를 떠나면, 그 프로세스는 점차 준비 리스트의 앞으로 나가게 되고 언젠가 CPU를 사용할 수 있게 된다.

    • 생성→준비: 사용자가 프로세스를 실행는 단계, 하드드라이브에 저장되어 있는 프로그램을 메인메모리로 가져(Load)하는 과정
    • 준비→실행: (Dispatch) - 우선순위가 높은 프로세스 선정하여 명령어 실행
    • 실행→준비: (Timer runout) - 한 프로세스를 실행 시킬 수 있는 최대시간이 지나면 클럭이 인터럽트를 발생시켜 제어권을 빼앗음(Preemption, 독점 방지)
    • 실행→대기: (Sleep or Block) - 프로세서가 입출력, 자원 등을 기다리기 위해 대기로 전환
    • 대기→준비: (Wake up) - 입출력이 완료되거나 자원이 할당되어 준비상태로 이동(주의:바로 실행하는게 아니라 준비단계로 이동)
    • Swap-out: (Suspend) - 준비(대기) 상태에서 기억 장치를 반납하고 지연 준비(지연 대기) 상태로 전이
    • Swap-in: (Resume) - 지연 준비(지연 대기) 상태에서 기억 장치를 할당받아 준비(대기) 상태로 전이

note: 멀티 프로세스의 경우 ready 상태에서 계속 CPU의 점유권을 못 가져가는 프로세스 혹은 asleep 상태에서 ready 상태로 못 넘어가는 프로세스가 생길 수 있다. 즉, 여러 개의 프로세스가 ready 상태나 asleep 상태에 있을 수 있다는 뜻이다. 이럴때 위의 두 개의 프로세스는 결과적으로 실행은 잘 되지도 않으면서 메모리에서 자리만 차지하고 있다. 이런 비효율을 없애기 위해 secondary storage(HDD, SDD)로 swap out 해준다. ready 상태에서 swap out하면 suspended ready 상태가 되고, asleep 상태에서 swap out하면 suspended block 상태가 된다. 이 두 상태에서 추후 필요에 의해 swap in 하여 다시 메모리에 load될 수도 있다.


5. 마치며

갈길이 멀다. 달지자. 오늘도 내일도…

reference

[Image-of-Operating-System-Main/Komando]
[Image-of-Operating-System-Process-Example/tistory/operatingsystems]
[Image-of-Operating-System-PCB-Example/velog/pa324]
[Image-of-Operating-System-Process-In-Memory-Example/crocus]
[Overview-of-Operating-System/wiki]
[Operating-System-Program-VS-Process/tistory-jhnyang]
[General-Definition-of-Operating-System-State/coding-factory]
[Operating-System-Process-State/tistory/coding-factory]
[General-Definition-of-Operating-System/tistory-bowbowbow]

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# Operating System # Process