Process(프로세스)

프로세스는 실행중인 프로그램이다.

운영 체제에서 프로세스는 두 가지 메모리 공간을 사용합니다.

• 유저 스택(User Stack): 사용자 모드에서 실행되는 코드가 사용하는 스택
• 커널 스택(Kernel Stack): 커널 모드에서 실행되는 코드가 사용하는 스택
• 커널 스택은 시스템 호출(System Call)이나 하드웨어 인터럽트가 발생했을 때, 운영 체제의 커널이 필요한 데이터를 저장하고 작업을 수행할 수 있도록 합니다.
• 각 프로세스마다 고정된 크기로 할당되며 일반적으로 몇 KB정도 입니다.

프로세스의 문맥(context)

• cpu 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥으로

• Program Counter, 각종 register에 대한 정보를 가지고 있습니다.

• 프로세스의 주소 공간

  • 프로세스는 실행 시작 시 프로세스만의 독자적인 주소공간이 할당됨
  • code, data, stack

• 프로세스 관련 커널 자료 구조

  • PCB(Process Control Block)
  • Kernel stack

프로세스 context는 진행중인 프로세스의 현재 상태를 알기 위해 필요하다

프로세스의 상태

프로세스의 상태는 크게 5가지로 정의할 수 있다

• New: 프로세스가 생성중인 상태
• Running: cpu를 할당받아 명령어(instruction)을 수행중인 상태
• Waiting: cpu를 할당해주어도 당장 명령어를 수행할 수 없는 상태
  • Process 자신이 요청한 event(I/O)가 즉시 만족되지 않아 기다리는 상태
  • ex) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우
• Ready: cpu를 할당받길 기다리고 있는 상태(메모리 등 다른 조건을 모두 만족시키는 경우)
  • 당장 cpu만 할당하면 실행 가능한 경우
• Terminated: 수행(execution)이 끝난 상태

Process Control Block(PCB)

• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 유지하고 있는 프로세스 정보

1. OS가 관리상 사용하는 정보

   • Process State, Process ID
   • scheduling information, priority

2. cpu 수행 관련 하드웨어 값

   • Program Counter, register

3. 메모리 관련

   • code, stack, data의 위치 정보

4. 파일관련

   • Open file descriptors 등

PCB는 context switch이 이루어졌을 때 기존에 실행하던 process의 정보를 불러오기 위해 필요하다

• 그렇다면 context switch는 뭘까?

Context switch

• cpu를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정
  1. 수행중인 프로세스의 상태를 PCB에 저장
  2. 새롭게 실행할 프로세스의 PCB를 읽어온다

system call이나 interrupt 발생시 반드시 context switch가 일어나는 것은 아니다

• system call: 프로세스가 본인이 필요해서 운영체제에게 무언가 요청하는 것
• 위 두 가지 사항 중 하나가 발생하면 cpu에 대한 권한이 사용자 프로세스로부터 운영체제 kernel 로 넘어가게 된다
  • 이것은 context switch가 아님 !

interrupt of system call이 발생하면 kernel mode에서 ISR(interrupt service routine) or system call 함수를 실행한 후 context switch를 할지 user mode로 복귀할지 결정한다.

• 이 때 user mode로 복귀했다면 context switch는 일어나지 않은 것.
  하지만 time interrupt가 발생했다면 kerner mode에서 context switch를 발생시킨다.

두 가지 경우 모두 context의 일부를 pcb에 저장해야 하지만 context switch가 일어나는 경우엔 cost가 더 높다

• ex) cache memory flush

process scheduling

• 실행 가능한 프로세스 중 다음 실행을 위해 프로세스를 고르는 작업
• ready queue: main memory에 남아있거나 실행하기 위해 ready 혹은 waiting 상태인 모든 프로세스의 집합
• wait queue: event 발생으로 인해 기다리고 있는 모든 프로세스의 집합
  • ex) I/O request

스케줄러

• 스케줄러는 운영체제에서 CPU와 같은 시스템 자원을 효율적으로 관리하고 분배하는 역할로 어떤 프로세스가 언제 실행될지 결정하는데 관여합니다.

Long-term scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler)

• 시작 프로세스 중 어떤 것들을 ready queue로 보낼지 결정
  • new 상태인 프로세스에 memory를 할당하여 ready queue로 보내는 작업
• 프로세스에 memory(및 각종 자원)을 주는 문제
• degree of multiprogramming을 제어
  • memory에 올라가 있는 프로세스의 수 -> memory에 프로세스가 너무 많거나 적어도 좋지 않다
• time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없음 (무조건 ready)

short-term scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)

• 어떤 프로세스를 다음번에 running시킬지 결정
• 프로세스에 cpu를 주는 문제
• 충분히 빨라야 함(ms 단위)

medium-term scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)

• 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리->디스크로 쫓아냄
• 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
• degree of multiprogramming을 제어
  • 대부분 장기 스케줄러가 없고 프로세스가 생성되자마자 memory에 올려 ready queue에 진입하기 때문에
    memory에 너무 많은 프로세서가 올라가 있는 것을 방지한다

스케줄러와 스케줄링 알고리즘

스케줄러	주요 알고리즘	설명
장기 스케줄러	FCFS, Priority	어떤 프로세스를 메모리에 올릴지 결정
중기 스케줄러	RR, Priority-Based Swapping, LRU	메모리와 디스크 사이에서 스와핑 작업 수행
단기 스케줄러	FCFS, SJF, RR, Priority, Multilevel Queue	CPU 할당 순서를 결정하여 효율적 자원 관리

FCFS(First-Come, First-Served)

• 준비 큐(Ready Queue)에 도착한 순서대로 할당
• 단순하고 공평하지만 특정 작업이 오래 걸리면 다른 프로세스의 대기 시간이 길어질 수 있음음

LRU(Least Recently Used)

• 가장 오랫동안 사용되지 않은 프로세스를 Swap Out

SJF(Shortest Job First)

• 실행 시간이 가장 짧은 프로세스에게 먼저 할당
• 평균 대기 시간이 짧지만 실행 시간을 미리 알아야 함

Round Robin

• 프로세스에게 고정된 시간(time Quantum)을 할당하여 순서대로 실행하거나 고정된 시간 간격으로 스와핑
• 모든 프로세스에게 공정하며 주로 타임 쉐어링 시스템에 사용

Priority Scheduling

• 우선순위가 높은 프로세스에게 먼저 할당
• 우선순위가 낮은 프로세스는 기아(Starvation)상태에 빠질 수 있음
• Starvation(기아)는 운영체제에서 특정 프로세스가 자원을 오랜 시간 동안 할당받지 못하는 상태

Suspended(stopped) 상태

• Swapper에 의해 새롭게 정의한 process state
• 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
• 프로세스는 통쨰로 디스크에 swap out 된다
• ex) 사용자가 프로그램을 일시 정지시킨 경우 (break key)
• 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단시킴(메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)

면접 대비

1. 프로세스의 특징을 설명하세요.

• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
• 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
• 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 한다. (Ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용)

2. 프로세스와 스레드의 차이점은 무엇인가요 ?

프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위이고, 스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위 이다.
프로세스는 운영체제로부터 메모리, 주소 공간 등을 할당받고 쓰레드는 할당받은 자원들을 내부 스레드끼리 공유하면서 실행된다.

구분	프로세스(Process)	스레드(Thread)
정의	프로그램 실행의 독립적인 단위	프로세스 내에서 작업을 실행하는 실행 단위
메모리 구조	독립적인 메모리 공간(코드, 데이터, 스택, 힙)	코드, 데이터, 힙을 공유, 스택과 레지스터는 개별적
자원 할당	운영체제로부터 독립적으로 자원 할당	프로세스 내 자원을 공유
생성/관리 비용	생성 및 관리 비용이 높음	생성 및 관리 비용이 낮음
문맥 교환 비용	문맥 교환 시 오버헤드가 크다	문맥 교환 시 오버헤드가 적다
독립성	각 프로세스는 독립적으로 실행, 다른 프로세스에 영향 없음	한 스레드의 오류가 프로세스 전체에 영향을 줄 수 있음
병렬 처리	병렬 처리 효율이 상대적으로 낮음	병렬 처리에 유리, 빠른 작업 수행 가능
예시	웹 브라우저, 게임, 텍스트 에디터 등 독립 실행 프로그램	웹 브라우저의 탭, 다운로드와 UI 갱신 등
장점	- 독립적 실행으로 안정성 높음	- 자원 공유로 효율적 - 병렬 작업 처리에 유리
단점	- 자원 소모가 큼 - 생성 및 관리 비용이 높음	- 한 스레드 오류가 전체 프로세스에 영향

3. 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유는 무엇인가요?

• 쉽게 설명하면, 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이다.

자원의 효율성 증대

• 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다. (프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문)
• 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.

처리 비용 감소 및 응답 시간 단축

• 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다. (스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문)
• 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다. (Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문)

4. 멀티 프로세싱과 멀티 프로그래밍의 차이점은 무엇인가요?

• 멀티 프로세싱은 여러개의 처리장치(CPU)를 장착하여 동시에 여러 작업을 병렬로 실행하는 방법.
• 멀티 프로그래밍은 다수 개의 프로그램의 같이 주기억장치에 있도록 한 방식.

5. 힙 영역과 스택 영역의 차이점은 무엇인가요?

• 프로그램이 실행되기 위해 프로그램이 메모리에 로드가 되어야한다.
• 따라서 운영체제에서 프로그램의 실행을 위해 다향한 메모리 공간을 제공한다.
• 코드, 데이터, 스택, 힙 영역이 할당되고 각 역할은 다음과 같습니다.

코드

• 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 텍스트 영역이다. CPU는 코드영역에서 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리한다.

데이터

• 전역변수와 정적변수가 이해 해당된다. 프로그램의 시작과 함께 할당되며 프로그램이 종료되면 소멸된다.

스택

• 스택영역은 함수의 호출과 관계되는 지역변수와 매개변수가 저장되는 영역이다.
• 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 종료될때 해제된다.

힙

• 힙 영역은 사용자가 직접 관리할 수 있는 메모리 영역이다. 힙 영역은 사용자에 의해 메모리공간이 동적으로 할당되고 해제된다.

참고자료)
- KOCW 공개강의 (2014-1. 이화여자대학교 - 반효경)