Operating System Concepts (공룡책) 3장

울·2026년 6월 21일

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"프로세스는 실행 중인 프로그램이다. 운영체제의 작업 단위."
프로그램은 디스크에 저장된 수동적인 파일이고, 프로세스는 그것이 메모리에 올라와 실행 중인 능동적인 존재다. OS는 프로세스를 생성·스케줄·종료하며 시스템 자원을 관리한다.

목표

  1. 프로세스의 개념과 메모리 구조를 파악
  2. 프로세스 상태와 PCB(프로세스 제어 블록)를 이해
  3. 프로세스 스케줄링의 흐름과 문맥 교환을 설명
  4. 프로세스 생성·종료 연산을 이해
  5. IPC(프로세스 간 통신) 방식의 차이를 비교

3.1 프로세스 개념

프로세스 vs 프로그램

구분프로그램프로세스
정의디스크에 저장된 실행 파일메모리에 올라와 실행 중인 프로그램
상태수동적 (passive)능동적 (active)
존재 위치보조 저장장치메모리
예시/usr/bin/chrome 파일실행 중인 크롬 창

같은 프로그램을 두 번 실행하면 두 개의 독립된 프로세스가 생성된다.

프로세스의 메모리 구조

프로세스는 메모리에서 아래와 같은 구조로 배치된다.

높은 주소
┌─────────────┐
│    Stack    │  ← 함수 호출, 지역 변수, 매개변수 (아래로 성장)
├─────────────┤
│      ↓      │
│             │
│      ↑      │
├─────────────┤
│    Heap     │  ← 동적 메모리 할당 (위로 성장)
├─────────────┤
│    Data     │  ← 전역 변수, 정적 변수
├─────────────┤
│Text (Code)  │  ← 실행할 프로그램 코드 (읽기 전용)
└─────────────┘
낮은 주소
영역내용크기
Text실행 코드고정
Data전역·정적 변수고정
Heap동적 할당 메모리 (malloc, new)가변
Stack함수 호출 스택, 지역 변수가변

Stack과 Heap은 서로 반대 방향으로 성장한다. 둘이 만나면 스택 오버플로우 또는 힙 오버플로우가 발생한다.

프로세스 상태

프로세스는 실행되는 동안 다음 5가지 상태 중 하나에 있다.

         생성
          │
          ▼
        [New]
          │  admitted
          ▼
 ┌──── [Ready] ◄────────────────────┐
 │        │  scheduler dispatch      │
 │        ▼                         │  I/O 완료 또는
 │    [Running] ─── interrupt ──────┘  이벤트 완료
 │        │
 │        ├── I/O 또는 이벤트 대기 ──► [Waiting]
 │        │
 │        └── exit
 │               │
 └──────────► [Terminated]
상태설명
New프로세스가 막 생성된 상태
ReadyCPU를 할당받기 위해 대기 중인 상태
RunningCPU에서 명령어가 실행 중인 상태
WaitingI/O 완료나 이벤트를 기다리는 상태
Terminated실행이 끝난 상태

한 번에 하나의 프로세스만 CPU에서 Running 상태일 수 있다.
단, 멀티코어 시스템에서는 코어 수만큼 동시에 Running 가능하다.

PCB (Process Control Block)

OS는 각 프로세스의 정보를 PCB(프로세스 제어 블록) 라는 자료구조에 저장한다.

┌──────────────────────┐
│  프로세스 상태        │  ← New / Ready / Running / Waiting / Terminated
├──────────────────────┤
│  프로세스 번호 (PID) │
├──────────────────────┤
│  프로그램 카운터 (PC)│  ← 다음 실행할 명령어 주소
├──────────────────────┤
│  CPU 레지스터        │  ← 문맥 교환 시 저장/복원
├──────────────────────┤
│  CPU 스케줄링 정보   │  ← 우선순위, 스케줄링 큐 포인터
├──────────────────────┤
│  메모리 관리 정보    │  ← 페이지 테이블, 세그먼트 테이블
├──────────────────────┤
│  입출력 상태 정보    │  ← 열린 파일 목록 등
├──────────────────────┤
│  계정 정보           │  ← CPU 사용 시간, 시간 제한 등
└──────────────────────┘

PCB는 프로세스가 CPU를 빼앗겼다가 다시 돌아올 때 어디서부터 이어 실행할지 알 수 있게 해주는 핵심 자료구조다.

3.2 프로세스 스케줄링

스케줄링 큐

OS는 프로세스를 큐(Queue)로 관리한다.

큐 이름설명
Ready QueueCPU를 기다리는 프로세스의 집합
Wait QueueI/O 완료나 특정 이벤트를 기다리는 프로세스의 집합
                  ┌──────────────────┐
새 프로세스 ──►  │   Ready Queue    │ ──► CPU
                  └──────────────────┘      │
                          ▲                 │ I/O 요청
                          │           ┌─────▼──────┐
                          └───────── │  Wait Queue │
                           I/O 완료  └────────────┘

스케줄러

스케줄러역할실행 빈도
장기 스케줄러 (Long-term)어떤 프로세스를 메모리에 올릴지 결정드물게
단기 스케줄러 (Short-term / CPU)Ready Queue에서 어떤 프로세스에게 CPU를 줄지 결정매우 자주
중기 스케줄러 (Medium-term)메모리가 부족할 때 프로세스를 디스크로 내보냄 (스와핑)필요시

현대 OS는 대부분 장기 스케줄러를 두지 않는다. 단기 스케줄러가 핵심이다.

문맥 교환 (Context Switch)

CPU가 한 프로세스에서 다른 프로세스로 전환할 때, 현재 실행 중인 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고 다음 프로세스의 PCB를 불러오는 작업이다.

프로세스 P0 실행
    │
    │  인터럽트 또는 시스템 콜
    ▼
P0 상태를 PCB0에 저장
    │
    ▼
PCB1에서 P1 상태 복원
    │
    ▼
프로세스 P1 실행
    │
    │  인터럽트
    ▼
P1 상태를 PCB1에 저장
    │
    ▼
PCB0에서 P0 상태 복원
    │
    ▼
프로세스 P0 재개

문맥 교환이 일어나는 동안 CPU는 아무 유용한 작업도 하지 못한다. 이 시간을 오버헤드(Overhead) 라고 한다. 전환이 잦을수록 오버헤드도 커진다.

3.3 프로세스 연산

프로세스 생성

OS는 프로세스 트리 구조로 프로세스를 관리한다. 프로세스가 다른 프로세스를 생성하면 생성한 쪽이 부모(Parent), 생성된 쪽이 자식(Child) 이다.

         init (PID 1)
        /      |      \
    bash      sshd    cron
    /  \
 ls   vim

Unix/Linux에서의 프로세스 생성은 두 단계다.

pid = fork();   // 부모를 복사해 자식 프로세스 생성
exec();         // 자식 프로세스에 새 프로그램을 덮어씌워 실행
시스템 콜역할
fork()현재 프로세스를 복사해 자식 프로세스를 생성. 반환값이 0이면 자식, 양수면 부모
exec()현재 프로세스의 메모리를 새 프로그램으로 교체하여 실행

자식 프로세스는 부모의 주소 공간을 복사해서 시작한다.
이후 exec()를 호출하면 자식은 완전히 다른 프로그램으로 대체된다.

프로세스 종료

시스템 콜역할
exit()프로세스가 스스로 종료. OS에 자원 반납 요청
wait()부모 프로세스가 자식의 종료를 기다림
abort()부모 프로세스가 자식을 강제 종료

알아야 할 개념

  • 고아 프로세스 (Orphan Process) : 부모가 wait() 없이 먼저 종료되어 부모 없이 남겨진 자식 프로세스. 보통 init이 새 부모가 됨
  • 좀비 프로세스 (Zombie Process) : 자식은 종료됐지만, 부모가 wait()를 호출하지 않아 PCB가 메모리에 남아 있는 상태
자식 종료 → exit() 호출 → 자원 반납
             │
             ▼
      부모가 wait() 호출 전까지 PCB 유지 ← Zombie
             │
             ▼
      부모가 wait() 호출 → PCB 제거 → 완전 종료

3.4 프로세스 간 통신 (IPC)

프로세스는 기본적으로 독립적이다. 각자의 메모리 공간을 가지며 서로 직접 접근할 수 없다. 협력이 필요한 경우 OS가 제공하는 IPC(Inter-Process Communication) 메커니즘을 사용한다.

IPC 방식은 크게 두 가지다.

방식설명특징
공유 메모리 (Shared Memory)두 프로세스가 동일한 메모리 영역을 공유빠름, 동기화 문제 발생 가능
메시지 전달 (Message Passing)OS를 통해 메시지를 주고받음느림, 동기화 문제 없음

공유 메모리 (Shared Memory)

두 프로세스가 동일한 메모리 영역을 직접 읽고 쓰는 방식이다.

┌─────────────────────────────────────────┐
│                  메모리                   │
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌────────┐ │
│  │  프로세스A │  │공유 메모리│  │ 프로세스B│ │
│  │  공간    │  │  영역    │  │  공간  │ │
│  └──────────┘  └──────────┘  └────────┘ │
└─────────────────────────────────────────┘
         A ──────────read/write──────────► B
  • OS 개입 없이 직접 접근하므로 속도가 빠름
  • 단, 두 프로세스가 동시에 같은 공간에 접근하면 경쟁 조건(Race Condition) 이 발생할 수 있어 동기화가 필요

생산자-소비자 문제는 공유 메모리의 대표적인 예시다.

생산자 프로세스: 데이터를 버퍼에 넣음 (write)
소비자 프로세스: 버퍼에서 데이터를 꺼냄 (read)

버퍼의 종류:

  • 무한 버퍼 : 생산자는 항상 쓸 수 있음. 소비자는 버퍼가 빌 때만 대기
  • 유한 버퍼 : 버퍼가 가득 차면 생산자도 대기해야 함

메시지 전달 (Message Passing)

OS 커널을 통해 메시지를 주고받는 방식이다. 프로세스가 직접 메모리를 공유하지 않는다.

프로세스 A ──► send(msg) ──► [OS Kernel] ──► receive(msg) ──► 프로세스 B

통신 방식 분류

  1. 직접 통신 vs 간접 통신
구분직접 통신간접 통신
방식프로세스 이름을 명시해서 전송메일박스(포트)를 통해 전송
예시send(P, msg)send(mailbox, msg)
특징수신자가 고정됨여러 프로세스가 같은 메일박스 공유 가능
  1. 동기 vs 비동기
구분동기 (Blocking)비동기 (Non-blocking)
send수신자가 받을 때까지 대기보내고 바로 다른 작업 진행
receive메시지가 올 때까지 대기메시지가 없으면 null 반환
  1. 버퍼링
용량설명
Zero Capacity큐 없음. 발신자는 수신자가 받을 때까지 무조건 대기
Bounded Capacity큐 용량 제한. 가득 차면 발신자 대기
Unbounded Capacity큐 무제한. 발신자는 절대 대기하지 않음

공유 메모리는 속도가 중요할 때, 메시지 전달은 단순성과 안전성이 중요할 때 선택한다.

정리

절핵심 내용
3.1프로세스 = 실행 중인 프로그램. 메모리 구조(Text/Data/Heap/Stack), 5가지 상태, PCB
3.2Ready/Wait Queue, 장기·단기·중기 스케줄러, 문맥 교환과 오버헤드
3.3fork()로 생성, exec()로 교체. exit()/wait()로 종료. 좀비·고아 프로세스
3.4IPC = 공유 메모리(빠름, 동기화 필요) vs 메시지 전달(안전, OS 경유)
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