프로세스와 프로세스 관리

junto·2024년 3월 11일

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프로세스

프로그램이란 단순히 디스크에 존재하는 명령어 모음에 불과하다. 운영체제는 단순한 명령어 모음을 메모리 위에서 실행할 수 있는 상태로 만든다. 이러한 실행 중인 프로그램을 프로세스라고 한다.

프로그램이 실행되기까지

운영체제는 프로그램 실행을 위해 가장 먼저 프로그램 코드와 정적 데이터를 메모리, 프로세스의 주소 공간에 탑재(load)한다.
그 후 일정량의 메모리를 프로그램의 실행시간 스택 용도로 할당한다. 또한 프로그램의 힙(heap)을 위한 메모리 공간을 확보한다.
입출력과 관계된 초기화 작업을 통해 unix에서는 표준 입력(STDIN), 표준 출력 (STDOUT), 표준 에러(STDERR) 세 개의 파일 디스크립터를 갖는다. 이를 이용하여 입력을 받고 화면에 출력하는 작업이 가능하다.
마지막으로 main 함수를 실행한다.

프로세스는 무엇으로 구성될까?

프로세스 구성 요소를 이해하기 위해서는 하드웨어 상태를 이해해야 한다. 프로그램이 실행되면서 여러 하드웨어 값을 읽고 변경하기 때문이다. 그 중 메모리는 프로그램의 지시 사항과 데이터를 저장하는 공간으로, 프로세스의 실행에 필수적이며, 레지스터는 CPU 내부에 위치하여 명령어의 실행 상태, 프로세스의 현재 위치, 연산 데이터 등을 임시로 저장하는 역할을 한다.
특별한 레지스터
- 프로그램 카운터(Program Counter, PC): 프로그램의 어느 명령어가 실행 중인지 알려준다.
- 스택 포인터(Stack Pointer)와 프레임 포인터(Frame Pointer): 함수의 변수와 리턴 주소를 저장하는 스택을 관리할 때 사용한다.

PCB(Process Control Block)

운영체제는 각 프로세스를 관리하기 위해 PCB라는 자료구조를 사용한다. 위에서 언급한 메모리와 CPU 레지스터 정보가 필요하고 운영체제가 관리상 필요한 정보와 파일 관련 정보가 필요하다.
- 메모리: code, data, stack 위치 정보
- CPU: program counter, 각종 register
- 운영체제: process state, process id, scheduling information, priority
- 파일: open file descriptors, list of open file ...
PCB는 구조체로 저장되며 xv6에서 간단한 구현을 볼 수 있다.

sturct proc {
	char *mem;                  // 프로세스 메모리 시작 주소
    uint sz;                    // 프로세스 메모리 크기
    char *kstack;               // 프로세스 커널 스택 바닥 주소
    enum proc_state state;      // 프로세스 상태 정보
    int pid;                    // 프로세스 ID
    struct proc *parent         // 부모 프로세스
    void *chan;                 // 0이 아니면 chan에서 수면
    int killed;                 // 0이 아니면 종료
    struct file *ofile[NOFILE]; // 열린 파일
    struct inode *cwd           // 현재 디렉터리
    struct context context;     // 프로세스를 실행시키려면 여기로 교환
    struct trapframe *tf;       // 현재 인터럽트에 해당하는 트랙 프레임
}

프로세스 상태

실행(Runnig): 실행 상태에서 프로세스는 프로세서에서 실행 중이다. 명령어를 실행하는 중이다.
준비(Ready): 준비 상태에서 프로세스는 실행할 준비가 되어 있지만 운영체제가 다른 프로세스를 실행하고 있는 등의 이유로 대기 중이다.
대기(Blocked): 프로세스가 다른 사건을 기다리는 동안 프로세스의 수행을 중단시키는 연산이다. (입출력 I/O였을 때 동기식 입출력의 경우 프로세스는 입출력이 완료될 때까지 대기 상태가 될 수 있다)
중지(Suspended): 외부적인 이유로 프로세스 수행이 정지된 상태이다. 프로세스는 통째로 디스크에 swap out된다. 자신이 요청한 event가 완료되면 Ready 상태로 바뀌는 Blocked 상태와 달리 외부에서 Resume 해주어야 Active 상태가 된다.

프로세스 전환(Context Switch)

CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정을 말한다. CPU를 내어주는 프로세스 상태를 그 프로세스 PCB에 저장하고, CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어온다.

System call이나 Interrupt 발생은 반드시 Context Switch를 유발하는가?
그렇지 않다. System call이나 Interrupt로 인해 단순히 User Mode -> Kernel Mode -> User Mode로 변경되는 경우에는 문맥 교환없이 User Mode로 복귀한다. (Kernel Mode로 들어가기 전에 context의 일부를 저장하는 것을 미미하다고 본다.)
하지만 I/O 요청 System call이나 timer interrupt 처럼 다른 프로세스로 전환해야 하는 경우에는 프로세스 전환(Context Switch)이 일어난다. (Cache Memory Flush)

프로세스 간 협력(Inter Process Communication)

1. 메시지 전달(Message Passing)

커널을 통해 메시지를 전달한다. 프로세스 사이에 공유 변수(Shared Variable)를 두지 않고 통신하는 구조를 말한다.
직접 통신(Direct Communication)과 간접 통신(Indirect Communication)으로 나눌 수 있으며, 전자는 통신하려는 프로세스를 명시적으로 표시한다. 후자는 Mailbox 또는 port를 통해 간접적으로 통신한다.

2. 메모리 공유(Shared Memory)

프로세스끼리 메모리 영역을 공유하여 상호 간 통신하는 방법이다. 커널은 초기 공유 메모리 영역을 설정할 때만 개입하며, 두 프로세스는 공유 영역에서 자유롭게 통신한다.

쓰레드(Thread)

CPU를 점유할 수 있는 최소 실행 단위를 말한다. 한 개의 프로세스에서 하나 이상의 쓰레드가 존재한다.
프로세스와 달리 쓰레드는 하나의 작업 공간 안에서 code, data, heap 공간을 공유하며, 별도의 stack 영역(program counter, register set, stack space)을 가진다.
쓰레드는 다음과 같은 장점을 가진다.
- 높은 응답성: 하나의 스레드가 block 되어도 나머지 스레드가 실행되어 빠른 처리가 가능하다.
- 성능 향상: 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율과 성능 향상을 얻을 수 있다.
- 자원 공유: 스레드는 code, data, heap 공간을 공유하기 때문에 프로세스 생성보다 효율적이다.
커널 스레드와 유저 스레드로 구분할 수 있다. 커널 스레드는 스레드가 여러 개 있다는 사실을 커널이 알고 있으며, 스케줄링의 대상이 된다. 유저 스레드는 커널은 모른 채로 유저레벨에서 라이브러리로 구현되어 관리된다.