프로세스 관리
구동중인 프로세스가 여러 개일 때, CPU 스케줄링을 통해 프로세스를 관리하는 것을 의미한다. 당연하게도, CPU 들은 각 프로세스들에 대해서 구분할 수 있어야 지지고 볶고 관리가 가능하다. 따라서 각기다른 프로세스들의 본연의 특징을 갖고 있는 Process Metadata 라는 정보를 활용한다.
프로세스 메타데이터가 담고있는 정보
- 프로세스 고유 ID (PID)
- 프로세스 상태
- 프로세스 우선순위
- Program Counter (PC)
- CPU 레지스터
- Owner
- Memory Limit
- 기타 등등
메타데이터는 프로세스가 생성될 떄마다 PCB (Process Control Block) 이라는 곳에 저장된다.
💡 간단히 짚고 넘어가기
Program Counter (PC) 레지스터 값은 해당 프로세스가 다음으로 수행할 명령의 정보를 담고 있다.
PCB (Process Control Block)
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위에서 설명한 것처럼 프로세스들의 메타데이터를 저장하는 곳이며, 한 PCB 안에는 한 프로세스의 정보가 담기게 되는 구조이다. 프로그램이 실행되어 메모리에 적재됐을 때 프로세스가 생겨나고, 프로세스 주소 공간에 코드&데이터&스택 공간이 생성된다. 이후 해당 프로세스의 메타데이터들이 PCB 에 저장된다.
CPU 에서는 프로세스의 상태에 따라 프로세스 교체작업이 이루어지게 된다. 만약 어떤 프로세스로부터 인터럽트가 발생해서, 현재 프로세스가 잠시 대기 상태가 되고 인터럽트가 발생된 프로세스를 실행 상태로 바꿔치기 할 때, 대기 중인 프로세스의 정보를 잃어버리게 되면 프로그램을 처음부터 다시 시작해야 한다. 이렇게 되면 사용자 입장에선 당혹스러울 것이다.
따라서, 대기하다가 다시 실행할 때 대기 상태로 바뀌기 직전의 실행 정보를 고스란히 저장해둔다면 다시 실행 상태로 돌아왔을 때 아무 일도 없었단 듯이 흘러갈 수 있을 것이다. 이 동작을 위해 PCB 가 필요한 것이다.
💁🏻♂️ 정리하자면, 프로세스 A 에서 B 로 교체될 때 아래와 같은 과정이 일어나게 된다.
- B 에서 인터럽트 발생
- A 의 현재 실행 정보를 PCB 에 저장
- A 를 대기 상태로 돌리고 B 를 실행 상태로 전환
- B 의 PCB 정보를 기반으로 실행 재개
- B 가 원하는 동작을 모두 수행함
- B 의 현재 실행 정보를 PCB 에 저장
- B 를 대기 상태로 돌리고 A 를 실행 상태로 전환
- A 의 PCB 정보를 기반으로 실행 재개
PCB 의 관리 방식
한 프로세스에 한 PCB가 생성된다. 따라서 PCB 는 프로세스가 생성될 때마다 하나씩 늘어나게 되는데, 이 때 PCB 들을 관리하는 자료구조는 바로 Linked List 형태이다. PCB List Head 에 PCB 들이 생성될 때마다 하나씩 이어붙게 된다. 주소값으로 연결되는 형태이기 때문에 새로운 녀석이 들어오거나, 기존의 녀석이 나갈 때 뛰어난 효율을 보이게 된다. (삽입 삭제에 용이한 Linked List 의 특성 활용)
당연한 이야기지만, 프로세스가 종료된다면 PCB 도 제거된다!
Context Switching
위에서 프로세스를 갈아끼우는 사례를 예로 들었는데, 이 프로세스를 갈아끼우는 행위 자체를 Context Switching 이라고 한다. 원래 실행중이던 프로세스의 상태를 PCB 에 보관하고, 새로 들어오는 프로세스의 PCB 정보를 바탕으로 레지스터에 값을 적재하는 과정을 일컫는 말이다.
보통 인터럽트 발생, 혹은 현재 프로세스의 선점 허용 기간을 모두 소모한 상황, 입출력을 위해 대기하는 경우에 Context Switching 이 발생하게 된다.
사실 Context Switching 을 하는 동안에는 CPU 가 아무것도 하지 못하게 된다. 따라서, 만일 쓰레드 및 프로세스의 개수가 엄청 많아져 Context Switching 이 빈번히 일어나게 된다면, 오버헤드가 잦아져 성능이 악화될 가능성도 있다. 이를 Context Switching Overhead 라고 한다.
