프로세스

목차

• 프로세스
  • 목차
  • 프로세스란?
  • 메모리 상에서의 프로세스
  • 프로세스 상태
  • 프로세스 제어 블록(PCB)
  • PCB정보
  • 컨텍스트 스위치(Context Switch)
  • 컨텍스트 스위치 과정
  • 프로세스 연산(생성,종료)
  • fork(),exec()
  • 프로세스 종료

프로세스란?

• 프로세스(Process)는 컴퓨터에서 실행 중인 프로그램.
• 운영체제의 관리를 받으며, 프로그램이 실행되기 위해 필요한 코드, 데이터, 메모리, 파일 등의 자원을 포함.
• 프로세스는 독립적으로 실행, 각각의 프로세스는 독립된 가상 주소 공간을 할당받고, CPU 시간을 할당받아 실행.
  
  
  

메모리 상에서의 프로세스

1. 텍스트 섹션(Code Section) : 프로세스의 텍스트 세션은 프로그램의 실행 코드가 저장되는 영역. 실행 가능한 명령어들이 저장되어 있으며, 일련의 명령어들이 순차적으로 실행.
2. 데이터 섹션(Data Section) : 데이터 섹션은 전역 변수, 정적 변수, 상수 등 프로그램의 데이터 요소들이 저장되는 영역.
3. 힙 섹션(Heap Section) : 동적으로 할당되는 메모리 공간. 프로세스 실행 중에 동적으로 메모리를 할당하거나 해제할 수 있는 영역으로, 동적으로 생성되는 데이터 구조나 객체들이 저장. 프로세스의 실행 중에 크기가 동적으로 변경될 수 있음.
4. 스택 세션(Stack Section) : 프로세스의 지역 변수, 함수 호출 및 복귀 주소 등을 저장하는 영역. 함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 함수의 실행 정보를 저장. 스택의 크기는 프로세스 실행 시에 정적으로 할당되며, 함수 호출과 반환에 따라 동적으로 변경됨.
   
   
   

프로세스 상태

상태	설명
새로운(New)	프로세스가 생성되었지만, 아직 실행되기 전의 상태.
실행(Running)	CPU를 할당받아 명령어를 실행하고 있는 상태.
대기(Waiting)	프로세스가 어떤 이벤트(입출력 완료, 시그널 수신 등)를 기다리며 실행을 일시 중단한 상태.
준비완료(Ready)	실행을 위해 CPU를 할당받기를 기다리는 상태.
종료(Terminated)	프로세스의 실행이 완료되거나 강제로 종료된 상태. 자원과 메모리가 해제되고 OS에 의해 정리.

프로세스 제어 블록(PCB)

• 프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)은 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 유지하는 데이터 구조.
• PCB는 각 프로세스에 대한 정보를 저장하고, 프로세스의 상태를 추적하고 조각하는 데 사용.
• 각 프로세스 마다 하나의 PCB가 할당되며, 운영체제는 PCB를 참조하여 프로세스의 실행과 관련된 작업을 수행.
• 프로세스가 종료되면 해당 PCB를 해제하여 재사용 가능한 상태로 만듬.
  
  
  

PCB정보

정보	설명
프로세스 식별자(PID)	각 프로세스를 고유하게 식별하는 식별자.
프로세스 상태(Process State)	프로세스의 현재 상태.(Ready, Running, Waiting 등)
프로그램 카운터(Program Counter,PC)	다음에 실행될 명령어의 주소를 가리킴. 프로세스가 중단되었다가 다시 실행될 때 이 주소로 돌아감.
레지스터 정보	프로세스의 레지스터 상태. 실행 중인 프로세스의 레지스터 값(범용 레지스터, 스택 포인터, 상태 레지스터 등)을 저장.
프로세스 우선순위(Priority)	프로세스에 할당된 우선순위. 우선순위 스케줄링 알고리즘에서 사용됨.
자원 할당 정보	프로세스가 사용하는 자원에 대한 정보. 할당된 메모리 공간, 열린 파일, 입출력 장치 등.
계정 및 스케줄링 정보	프로세스의 계정 정보(사용자ID, 그룹ID 등)와 스케줄링 관련 정보(실행 시간, 대기 시간 등).

컨텍스트 스위치(Context Switch)

• 현재 실행 중인 프로세스에서 다음에 실행할 프로세스로 제어를 전환하는 작업.
• 컨텍스트(Context)는 프로세스의 상태 정보를 포함하는 것으로 CPU 레지스터의 값, 프로세스 상태, 메모리 관리 정보 등을 포함.
• 컨텍스트 스위치는 현재 실행 중인 프로세스의 컨텍스트를 저장하고, 다음에 실행할 프로세스의 컨텍스트를 복원하는 작업을 수행.
• 컨텍스트 스위치가 진행될 동안의 시스템은 아무런 유용한 일을 하지 못하기에 소요 시간은 순수한 오버헤드. 그렇기에 효율적인 컨텍스트 스위치 관리는 운영체제의 성능 최적화에 중요한 역할을 함.
  
  
  

컨텍스트 스위치 과정

1. Interrupt or System Call 발생.
2. 현재 실행중인 프로세스의 상태 저장.
3. 다음에 실행할 프로세스의 상태 복원.
4. 제어 전환.
   
   
   

프로세스 연산(생성,종료)

• 프로세스는 실행되는 동안 여러 개의 새로운 프로세스 들을 생성함.
• 프로세스를 생성하는 주체는 부모 프로세스, 새로운 프로세스는 자식 프로세스라고 함.
• 대부분의 운영체제는 고유의 프로세스 식별자(PID)를 사용하여 프로세스를 구분.
• 프로세스가 자식 프로세스를 생성할 때
  • 자식 프로세스는 운영체제에게 자원을 직접 얻을 수 있음.
  • 부모 프로세스가 가진 자원의 부분 집합만을 사용하도록 제한할 수 있음.
• 프로세스가 새로운 프로세스를 생성할 때
  부모 프로세스는 자식 프로세스와 동시에 구동.
  부모 프로세스는 자식 프로세스 전부/일부가 종료될 때 까지 대기.
  
  
  

fork(),exec()

#include <sys/type.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(){
    pid_t pid;

    pid = fork();
    if(pid < 0){
        fprintf(stderr, "Fork Failed");
        return 1;
    }else if (pid == 0){
        execlp("/bin/ls","ls",NULL);
    }else{
        wait(NULL);
        printf("Child Complete");
    }
    return 0;
}

• 자식 프로세스에게 보이는 pid는 0.
• 부모 프로세스에게 보이는 pid 값은 0보다 큰 정수값.
• 자식 프로세스는 리소스 권한, 스케줄링 속성을 부모 프로세스로부터 상속.
• 부모는 wait() 시스템 콜로 자식 프로세스가 종료되기를 대기.
• 자식 프로세스 종료 후 부모는 wait()으로부터 프로세스를 재개하여 exit()으로 종료.
  
  

  

  
  
  

프로세스 종료

• 최종 실행이 종료된 뒤 exit()을 통해 운영체제에 삭제 요청.
  • 대기중인 부모 프로세스에게 상태 값을 리턴.
  • 운영체제에 의해 모든 프로세스의 자원들은 할당 해제.
• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 종료 시키는 경우(abort())
  • 자식이 할당된 자원의 사용량을 초과하는 경우.
  • 자식 task가 더 이상 필요하지 않은 경우.
  • 부모가 종료되었고, 자식은 종료되지 않았을때.
• 좀비 프로세스(zombie process)
  • 종료되었지만 부모 프로세스가 아직 wait() 콜을 하지 않은 프로세스.
  • 운영체제의 프로세스 테이블에 존재하지만, 실행 중이지 않으며 더 이상 어떤 작업도 수행하지 않는 상태.
• 고아 프로세스(orphan process)
  • 부모 프로세스가 wait()을 콜하는 대신 종료하게되면 자식은 고아 프로세스가 됨.
  • Linux, UNIX 계열의 운영체제는 고아 프로세스의 새로운 부모 프로세스로 "init"프로세스를 지정하여 문제 해결.