[운영체제] 2. 프로세스 개요

1. 프로세스

프로세스란 실행 중인 프로그램을 의미한다. 본디 프로그램이란 디스크 내 파일로써 존재하며 정적이고 수동적인 개채이다. 하지만 운영체제로 필요한 자원을 할당받아 동작을 실행하면 능동적이고 동적인 프로세스가 된다.

프로세스의 상태 변화

프로세스는 일단 생성된 후에는 자원을 할당받고 종료되기 전까지 다섯 단계의 상태를 오간다.

프로세스 상태의 다섯 단계

1. 생성 → 준비
   • 스케줄러에 의해 호출되는데, 이 때 메모리 이용 가능성과 어떤 장치가 요구되는지 검사한다.
2. 준비 → 실행
   • 사전에 정의된 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스가 실행된다. (디스패치라고 한다.)
3. 실행 → 준비
   • 할당 시간이나 우선순위 알고리즘의 선점방식에 의해 준비상태로 되돌아가는 경우도 있다.
4. 실행 → 대기
   • 입출력 혹은 페이지 교환등의 작업은 시간이 오래 걸리기 때문에 그 사이 CPU를 다른 자원에 할당하기 위해 대기 상태로 보낸다.
5. 대기 → 준비
   • 장치관리자의 신호에 의해 일어난다. 페이지 교환의 경우 페이지 인터럽트 핸들러가 메모리에 페이지가 존재한다고 신호하게 되며 프로세스가 준비 큐로 이동한다.
6. 실행 → 종료
   • 성공적으로 종료되거나 운영체제가 에러를 감지하고 강제종료 한 경우 실시된다.

프로세스 제어블록(PCB)

프로세스의 효율적인 관리를 위해 운영체제가 프로세스의 정보를 보관하는 블록. 프로세스가 진행됨에 따라 변경되기도 하며, 프로세스가 종료되는 경우 사라진다.

 

PCB 내용의 예시 (운영체제 별로 상이할 수 있음) :

• 프로세스 상태
• 프로세스 번호(PID)
  • 프로세스 고유 식별값
• 프로그램 카운터(PC)
  • 프로세스 수행을 위한 다음 명령의 주소
• 레지스터
  • CPU의 레지스터에 해당하는 정보를 포함한다. 실행 상태에서 다른 상태로 전이되는 경우 여기에 임시 저장하여 다시 실행상태가 될 때 활용한다.
• 메모리 관리 정보
  • 프로세스가 저장된 주소 및 가상 메모리와 실제 메모리의 매핑 정보, 기준 레지스터와 경계 레지스터 등의 정보를 포함한다.
• 회계 및 입출력 상태 정보
  • 주로 성능 측정과 순위에 대한 목적을 위한 정보들이 포함된다.

프로세스 생성과 종료

• 프로세스 생성
  • 프로세스가 프로세스 생성 시스템 호출을 이용하여 자식 프로세스를 둘 수 있다. 이때 자식 프로세스는 부모 프로세스의 자원 일부(시스템 과부하 방지)를 얻는다.
• 프로세스 종료
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스의 작업을 더 이상 원치 않을 때 종료시킬 수 있다. 또한 부모 프로세스가 종료되는 경우 자식 프로세스들은 운영체제에 의해 연속적 종료가 발생한다.

프로세스 간의 관계

• 독립적 프로세스
  • 해당 프로세스들은 결정적이고, 재생 가능하다.
  • 다른 프로세스와 영향을 주고받지 않는 프로세스를 의미한다.
• 유기적 프로세스
  • 해당 프로세스들은 비결정적이며 재생 불가능하다.
  • 실행 중인 다른 프로세스와 유기적으로 영향을 주고받는 프로세스를 의미한다.

2. 쓰레드

멀티 쓰레드 프로세스의 예시

• 쓰레드는 프로세스 내에서 다중처리를 위해 고안된 개념이다.
• 운영체제에서 프로세스가 갖는 의미는 ‘자원 소유 단위’ 및 ‘디스패칭 단위’ 두 가지의 역할을 담당했었다.
• 최근에 들어서는 ‘디스패칭 단위’는 쓰레드(경량 프로세스)가 담당하고 ‘자원 소유의 단위’를 프로세스(작업)로 구분하여 취급하고 있다.
• 하나의 프로세스는 여러 개의 쓰레드를 가질 수 있다.
• 쓰레드는 제어의 흐름을 의미하고, 이는 프로세스에서 실행의 개념만을 분리하여 실행에 필요한 최소한의 정보만을 가지고 쓰레드끼리는 프로세스의 실행 환경을 공유한다.
• 하나의 프로세스에서 다중 쓰레드를 이용 시 여러 개의 CPU 혹은 CPU가 멀티코어인 경우 병렬 처리가 가능해진다.

3. 스케줄링

CPU에게 어떤 작업들을 할당하여 우선적으로 처리하게 할지, 처리 순서를 결정하는 행위

스케줄링 정책

운영체제에서 프로세스를 스케줄링할 때에는 공정성과 균형을 중시해야 한다.

• 일괄처리 운영체제의 스케줄링 목표
  • 처리량 극대화, 반환시간 최소화, CPU 활용 극대화
• 대화형 운영체제의 스케줄링 목표
  • 빠른 응답 시간, 과다한 대기시간 방지

위의 목표들은 서로 상반된 성질을 가지고 있으므로 동시에 충족시키기는 어렵다.

• 선점 스케줄링 정책
  • 진행 중인 작업에 인터럽트를 걸고 다른 작업에 CPU를 할당하는 전략이다. 우선순위에 따라 작업이 변경된다. 작업이 변경될 때 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고 다른 작업으로 교체하는 문맥 교환(Context Switching) 이 발생하며, 이 과정이 빈번하면 오버헤드가 발생한다.
• 비선점 스케줄링 정책
  • 프로세스가 자원을 할당받아 실행에 들어가면 I/O 인터럽트가 걸리거나 종료될 때까지 실행상태에 있는다. 응답 시간의 예측이 가능하며 짧은 작업이 긴 작업을 기다리거나 공정성이 떨어질 수 있다.

참고: 무한루프에 들어간 작업의 경우 선점/비선점에 관계없이 운영체제가 인터럽트를 걸게 된다.