Process Metadata
프로세스는 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 동적인 상태의 컴퓨터 프로그램, 즉 하나의 작업 단위이다. 프로세스는 여러 가지 특징을 가지고 있는데, 이러한 특징을 Process Metadata라고 한다.
- process-id : 새로운 프로세스에 시스템이 할당해주는 고유 id
- process- state : 프로세스의 라이프 타임과 관련된 상태로, waiting, running, ready, blocked, end, suspend-wait, suspend-ready 가 있다
- priority : 프로세스 스케줄링을 위한 우선순위이다
- Process Accounting Information : CPU를 사용한 시간, CPU 할당 시간 등이 있다
- Program Counter : 이전에 배운 PC로 다음 작업할 명령어 위치를 기억한다
- List of Open Files : 실행 중에 프로그램에 필요한 모든 파일의 정보를 포함한다
- Process I/0 status information : 해당 프로세스가 실행 중에 할당을 요구한 I/O 장치에 대한 정보를 담는다
- CPU 레지스터 : context switch가 발생하면 이 때의 레지스터 정보를 기억해서 다시 프로세스가 CPU 할당을 받으면 사용한다. accumulator, index, stack pointer 와 같은 레지스터의 값이 저장된다
- PCB Pointer : 준비중인 다음 프로세스의 주소를 가리킨다. 준비 상태나, 대기 상태의 큐를 구현할 때 다음을 가리키는 포인터로 사용된다
- Memory management information : 메모리 관리 정보로 프로세스가 메모리의 어디에 있는 지 나타내는 메모리 정보와 메모리 보호를 위한 경계 레지스터, 한계 레지스터 값등이 저장된다. 또한, segmentation table , page table 등 정보도 보관한다
- PPID, CPID : 부모 프로세스를 가리키는 PPID, 자식 프로세스를 관리하는 CPID가 저장된다.
PCB
운영체제가 프로세스를 제어하기 위해 프로세스 메타데이터들을 저장해 놓는 곳이다. 하나의 PCB 안에는 하나의 프로세스의 정보가 담겨있다.
- 프로그램 실행
- 프로세스 생성 (프로그램을 메모리에 적재)
- 프로세스 메타 데이터 생성
- 메타 데이터를 PCB에 저장
이때, 한 PCB에는 한 프로세스의 정보가 담긴다.
PCB(Process Control Block) 상세 구조
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Process State : 프로세스 상태(Create, Ready, Running, Block, terminated)
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Process Counter : 다음 실행할 명령어의 주솟값
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CPU Registers : accumulator, index register, stack pointers, general purpose registers.
Context Switching
CPU가 이전의 프로세스 상태를 PCB에 보관하고, 또 다른 프로세스의 정보를 PCB에서 읽어서 레지스터에 적재하는 과정
보통 인터럽트가 발생하거나, 실행 중인 CPU 사용 허가시간을 모두 소모하거나, 입출력을 위해 대기해야 하는 경우에 Context Switching이 발생한다.
Context Switching 수행 과정
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Task의 대부분 정보는 Register에 저장되고 PCB(Process Control Block)로 관리가 되고 있습니다.
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현재 실행하고 있는 Task의 PCB 정보를 저장하게 됩니다.(Process Stack, Ready Queue)
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다음 실행할 Task의 PCB 정보를 읽어 Register에 적재하고 CPU가 이전에 진행했던 과정을 연속적으로 수행할 수 있게 됩니다.
Context Switching Cost
Context Switching이 발생하게 되면 다음과 같은 Cost가 소요됩니다.
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Cache 초기화
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Memory Mapping 초기화
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메모리의 접근을 위해서 Kernel은 항상 실행되어야 합니다.
따라서 잦은 Context Switching은 성능 저하를 가져옵니다.
Context Switching의 오버헤드(Overhead)
- Context Switching에 걸린 시간과 메모리를 말한다.
- I/O 이벤트가 발생했을 때 디스크에 명령을 내렸는데 끝날 때까지 기다리면서 CPU가 가만히 있으면 CPU가 낭비된다. 때문에 다른 프로세스로 바꾸면서까지 CPU를 더 사용하는게 이익이다.
- overhead를 감수하면서 기존 프로세스를 새 프로세스로 바꾸는 것이 더 낫다!
PCB의 역할은?
PCB에는 프로세스 ID, 각종 메모리나 중간값과 같은 프로세스 메타 데이터를 저장하는 공간이다. PCB에 저장된 정보를 통해 CPU는 각 프로세스를 구분하고 관리할 수 있으며, Context Switching이 발생하였을 때 이를 이용한다.
Context Switching이 왜 필요한가?
CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 수행할 수 있지만, 실생활에서 우리는 여러 개의 프로세스를 동시에 수행하고자 한다. 따라서 CPU는 여러 개의 프로세스를 번갈아가면서 수행함으로써 동시에 수행하는 것처럼 보이게 하기 위하여 Context Switching을 사용한다.
참고자료
