프로세스(Process)란?

 

반효경 교수님의 운영체제 강의를 수강하며 개인적으로 찾아 공부한 내용과 함께 정리한 내용이다. 프로세스에 대한 기본적인 내용에 대해 알아보자.

 

 

프로세스?

프로세스란 실행 중인 프로그램을 의미한다.

그럼 프로그램과 프로세스의 차이는 무엇일까?

 

💡  프로그램은 컴퓨터에서 특정 작업 또는 작업을 완료하기 위해 작성된 특정 지침 집합이 포함된 실행 파일(예를 들어 exe 파일)이다. 프로세스는 이러한 프로그램이 실행된 활성 엔터티이다.

 

 

 

프로세스의 문맥 (Process Context)

프로세스가 현시점에서 어디까지 수행이 되었는지를 알기 위한 정보

 

🗣 프로세스가 프로세서에 대한 액세스에서 제거될 때마다 현재 작동 상태에 대한 충분한 정보가 저장되어 프로세서에서 다시 실행되도록 예약될 때 동일한 위치에서 작업을 재개할 수 있어야 한다. 이때의 작동 상태 데이터를 Process Context라 한다.

 

 

프로세스 문맥은 3가지로 나뉜다.

1. CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥 (Program Counter, 각종 Register)
2. 프로세스의 주소 공간 (Code, Data, Stack)
3. 프로세스 관련 커널 자료 구조 (PCB, Kernel Stack)

 

 

 

프로세스의 상태 (Process State)

프로세스는 상태가 변경되며 수행된다. 프로세스의 상태는 프로세스의 현재 활동에 의해 정의되며, 이 프로세스 상태는 Process Control Block(PCB)에 저장된다.

 

프로세스는 다음과 같이 5개의 상태로 나타낼 수 있으며 이 중 하나의 상태를 가진다.

1. New
   • 프로세스가 생성되는 상태
2. Ready
   • 프로세스가 생성이 완료되면 준비 상태가 되고, 프로세스는 주 메모리에 로드되고 CPU가 할당된다.
3. Running
   • CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태 (Ready Queue에서 CPU가 프로세스에 할당될 때마다)
4. Blocked (wait, sleep)
   • CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
   • 프로세스가 자신이 요청한 이벤트(예: I/O)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
     • ex) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
5. Terminated
   • 프로세스가 실행을 완료
   • 이 상태 동안 프로세스의 PCB도 삭제된다.

 

 

프로세스 상태도

 

 

Process Control Block (PCB)

프로세스를 생성하는 동안 운영 체제는 여러 작업을 수행한다. 프로세스를 식별하기 위해 각 프로세스에 프로세스 식별 번호(PID)를 할당한다. 운영 체제는 다중 프로그래밍을 지원하므로 모든 프로세스를 추적해야 한다. 이 작업을 위해 프로세스 제어 블록(PCB)을 사용하여 프로세스의 실행 상태를 추적한다.

 

 

PCB

운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보를 담고 있는 데이터 구조

 

 

다음의 구성 요소를 가진다.

 

1. OS가 관리상 사용하는 정보
   • 포인터(Pointer) : 프로세스의 현재 위치를 유지하기 위해 프로세스가 한 상태에서 다른 상태로 전환될 때 저장해야 하는 스택 포인터
   • 프로세스 상태(Process state) : 프로세스의 각 상태를 저장
   • 프로세스 번호(Process ID) : 각 프로세스에는 프로세스 식별자를 저장하는 프로세스 ID( 또는 PID)라는 고유한 ID가 할당
   • Scheduling Information, Priority
2. CPU 수행 관련 하드웨어 값
   • 프로그램 카운터(Program counter) : 프로세스에 대해 실행될 다음 명령의 주소를 포함하는 카운터를 저장
   • 레지스터(Registers) : 누산기, 베이스, 레지스터 및 범용 레지스터를 포함하는 CPU 레지스터
3. 메모리 관련
   • 메모리 제한(Memory limits) : 운영 체제에서 사용하는 메모리 관리 시스템에 대한 정보가 포함 (페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등이 포함될 수 있음)
   • Code, Data, Stack의 위치 정보
4. 파일 관련
   • 열린 파일 목록(Open files list) - 이 정보에는 프로세스를 위해 열린 파일 목록이 포함

 

 

 

 

문맥 교환 (Context Switch)

CPU가 작업이 충돌하지 않도록 하면서 한 프로세스에서 다른 프로세스로 변경하는 과정

CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음과 같이 수행한다.

1. 실행 중인 프로세스 1의 상태를 PCB1에 저장
2. CPU를 새롭게 얻는 프로세스 2의 상태를 PCB2에서 읽어옴
3. 다시 컨텍스트 전환이 발생하면 같은 방법으로 이전에 저장된 프로세스 1을 복원

 

 

이 기능을 통해 여러 프로세스가 CPU를 공유할 수 있으며, 멀티태스킹 운영 체제의 필수 기능이다.

 

 

 

문맥 교환 트리거 (Context switching triggers)

다음은 세 가지 유형의 문맥 교환이 발생하는 시기이다.

1. 인터럽트 : CPU가 디스크에서 데이터 읽기를 요청하고 인터럽트가 있는 경우 컨텍스트 전환이 인터럽트를 처리하는 데 시간이 덜 필요한 하드웨어 부분을 자동으로 전환한다.
2. 멀티태스킹 : 컨텍스트 전환은 프로세스가 CPU에서 전환되어 다른 프로세스가 실행될 수 있도록 하는 멀티태스킹의 특성이다. 프로세스를 전환할 때 이전 상태가 저장되어 시스템의 동일한 지점에서 프로세스 실행을 재개한다.
3. 커널/사용자 전환 : 운영 체제에서 사용자 모드 전환 시 사용되며 커널/사용자 모드가 수행된다.

 

 

 

 

프로세스 스케줄러(Process Scheduler)

프로세스 스케줄러는 다음과 같은 세 가지 범주로 나뉜다.

 

1. 장기 스케줄러(Long-Term Scheduler)
   1. Job Pool에서 프로세스를 선별하고 실행을 위해 기본 메모리의 Ready Queue에 적재한다. 그래서 장기 스케줄러는 ‘작업 스케줄러(Job Scheduler)’라고도 한다.
2. 단기 스케줄러(Short-Term Scheduler)
   1. Ready Queue에서 하나의 작업(프로세스)을 선택한 다음 처리를 위해 CPU로 보낸다. 그래서 단기 스케줄러는 ‘CPU 스케줄러’라고도 한다.

 

 

1. 중기 스케줄러(Medium-Term Scheduler)
   1. 실행 중인 프로세스를 준비 상태 또는 대기/차단 상태로 보내야 하는 경우(예를 들어 I/O 요청)가 있다. 이 상태에서 프로세스를 메모리에서 제거하고 다른 프로세스를 위한 공간을 만들기 위해 일시 중단된 프로세스를 보조 저장소로 이동(Swap)한다. 이렇게 스와핑을 수행하기 때문에 ‘스와핑 스케줄러(Swapping scheduler)’라고도 한다.

 

 

 

출처

https://www.geeksforgeeks.org/process-table-and-process-control-block-pcb/

https://www.tutorialspoint.com/what-is-context-switching-in-operating-system

 

이미지 출처

https://techdifferences.com/difference-between-program-and-process.html

https://www.scaler.com/topics/operating-system/process-state-in-os/

https://byjus.com/gate/process-control-block-notes/

https://byjus.com/gate/process-scheduler-in-operating-system-notes/

https://www.javatpoint.com/scheduler-vs-dispatcher