혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제 Section 10. 프로세스 개요

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프로세스 개요

• 실행 중인 프로그램 = 프로세스
• 포그라운드 프로세스 (foreground process)
  • 사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스
  • e.g. 메모장, 워드 프로세서, ...
• 백그라운드 프로세스 (background process)
  • 사용자가 볼 수 없던 공간에서 실행되는 프로세스
    • 사용자와 직접 상호작용이 가능한 백그라운드 프로세스
    • 사용자와 상호작용하지 않고 그저 정해진 일만 수행하는 프로세스 = 데몬(daemon), 서비스(service)

프로세스 제어 블록

• 모든 프로세스는 실행을 위해 CPU가 필요
  • 하지만 CPU 자원은 한정적
• 프로세스들은 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU 이용
  • 자신의 차례에 정해진 시간만큼 CPU 이용
  • 타이머 인터럽트가 발생하면 차례 양보
• 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스들을 관리해야
• 이를 위해 사용하는 자료구조가 프로세스 제어 블록(=PCB)
  • 프로세스 관련 정보를 저장하는 자료 구조
  • 마치 상품에 달린 태그와 같은 정보
  • 프로세스 생성 시 커널 영역에 생성, 종료 시 폐기
    • 운영체제는 커널 영역에 적재된 PCB를 보고 프로세스를 관리

PCB에 담기는 대표적인 정보

• 프로세스 ID (=PID)
  • 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호
• 레지스터 값
  • 프로세스는 자신의 실행 차례가 오면 이전까지 사용한 레지스터 중간 값을 모두 복원 -> 실행 재개
  • 프로그램 카운터, 스택 포인터, ...
• 프로세스 상태
  • 입출력 장치를 사용하기 위해 기다리는 상태
  • CPU를 사용하기 위해 기다리는 상태
  • CPU를 이용 중인 상태, ...
• CPU 스케줄링 정보
  • 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보
• 메모리 정보
  • 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보
  • 페이지 테이블 정보
• 사용한 파일과 입출력장치 정보
  • 할당된 입출력장치, 사용 중인(열린) 파일 정보

문맥 교환 (context switch)

• 한 프로세스(e.g. 프로세스 A)에서 다른 프로세스(e.g. 프로세스 B)로 실행 순서가 넘어가면?
• 기존에 실행되던 프로세스 A는 지금까지의 중간 정보를 백업
  • 프로그램 카운터 등 각종 레지스터 값, 메모리 정보, 열었던 파일, 사용한 입출력 장치 등
  • 이러한 중간 정보 == 문맥 (context)
  • 다음 차례가 왔을 때 실행을 재개하기 위한 정보
  • 실행 문맥을 백업해두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있음
• 뒤이어 실행할 프로세스 B의 문맥을 복구
  • 자연스럽게 실행 중인 프로세스가 바뀜
    
• 기존의 실행 중인 프로세스 문맥을 백업하고 새로운 프로세스 실행을 위해 문맥을 복구하는 과정을 문맥 교환 (context switch)이라 함

프로세스의 메모리 영역

• 크게 코드 영역 (=텍스트 영역), 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역

코드 영역 (= 텍스트 영역)

• 실행할 수 있는 코드, 기계어로 이루어진 명령어 저장
• 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담기기에 쓰기가 금지된 영역 (read-only)
• 정적 할당 영역 (크기 고정)

데이터 영역

• 잠깐 썼다가 없앨 데이터가 아닌 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터 저장
• e.g. 전역 변수
• 정적 할당 영역 (크기 고정)

힙 영역

• 프로그램을 만드는 사용자, 즉 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간
• 참고. 가비지 컬렉션
  • 힙 영역 메모리 할당 후 프로그래밍 언어가 자동으로 반환
  • 그렇지 않을 경우 메모리 누수(Memory leak) 발생
• 동적 할당 영역 (크기 가변)
  • 일반적으로 힙 영역은 낮은 주소 -> 높은 주소로 할당

스택 영역

• 데이터가 일시적으로 저장되는 공간
• (데이터 영역에 담기는 값과는 달리) 잠깐 쓰다가 말 값들이 저장되는 공간
• e.g. 매개 변수, 지역 변수
• 동적 할당 영역 (크기 가변)
  • 일반적으로 스택 영역은 높은 주소 -> 낮은 주소로 할당

프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

• 생성 상태 (=new state)
  • 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당 받은 상태
  • 준비가 완료되었다면 준비 상태로
• 준비 상태
  • 당장이라도 CPU를 할당받아 실행할 수 있지만 자신의 차례가 아니기 때문에 기다리는 상태
  • 자신의 차례가 된다면 실행 상태로 (=디스패치)
• 실행 상태
  • CPU를 할당 받아 실행 중인 상태
  • 할당된 시간 모두 사용 시(타이머 인터럽트 발생 시) 준비 상태로
  • 실행 도중 입출력장치를 사용하면 입출력 작업이 끝날 때까지 대기 상태로
• 대기 상태 (=block state)
  • 프로세스가 실행 도중 입출력장치를 사용하는 경우
  • 입출력 작업은 CPU에 비해 느리기에 이 경우 대기 상태로 접어듦
  • 입출력 작업이 끝나면 (입출력 완료 인터럽트를 받으면) 준비 상태로
• 종료 상태
  • 프로세스가 종료된 상태
  • PCB, 프로세스의 메모리 영역 정리

프로세스 계층 구조

• 프로세스 실행 도중 (시스템 호출을 통해) 다른 프로세스 생성 가능
• 새 프로세스를 생성한 프로세스 = 부모 프로세스
• 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스 = 자식 프로세스
  • 부모 프로세스와 자식 프로세스는 별개의 프로세스이므로 각기 다른 PID를 가짐
  • 일부 운영체제에서는 자식 프로세스 PCB에 부모 프로세스 PID(PPID) 명시하기도
• 자식 프로세스는 또 다른 자식 프로세스를 낳을 수 있음 -> 계층 구조 형성
  • e.g. 최초의 프로세스 확인: pstree (리눅스, macOS)

프로세스 생성 기법

• 부모 프로세스는 자식 프로세스를 어떻게 만들어 내고, 자식 프로세스는 어떻게 자신만의 코드를 실행할까?
• 복제와 옷 갈아입기
  • 부모 프로세스는 fork 시스템 호출을 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성
    • 복사본 (=자식 프로세스) 생성
    • 부모 프로세스의 자원 상속
    • PID, 저장되어 있는 메모리의 위치 등은 다름 (별개의 프로세스이기 때문에)
  • 자식 프로세스는 exec 시스템 호출을 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체
    • 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰기
    • 코드/데이터 영역은 실행할 프로그램 내용으로 바뀌고 나머지 영역은 초기화

스레드

• 프로세스를 구성하는 실행 흐름의 단위
• 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있음
  

프로세스와 스레드

• 실행 흐름이 하나인 프로세스 = 단일 스레드 프로세스
• 실행 흐름이 여러 개인 프로세스 = 멀티 스레드 프로세스
  • 프로세스를 이루는 여러 명령어 동시 실행 가능
• 프로세스를 이루는 스레드들은 프로세스의 자원을 공유하면서 실행됨

스레드의 구성 요소

• 스레드 ID, 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터 값, 스택 등
• 실행에 필요한 최소한의 정보

멀티 프로세스와 멀티 스레드

멀티 프로세스

• 동일한 작업을 수행하는 단일 스레드 프로세스 여러 개 실행
  • 프로세스끼리는 자원을 공유하지 않음 (독립적으로 실행)
  • 참고. 프로세스 간에도 자원을 주고 받는 방법 = 프로세스 간 통신 (IPC)
    • 파일을 통한 프로세스 간 통신, 공유 메모리를 통한 프로세스 간 통신
• 프로세스를 fork하면 코드/데이터/힙 영역 등 모든 자원이 복제되어 저장됨
• 저장된 메모리 주소를 제외하면 모든 것이 동일한 프로세스 두 개가 통째로 메모리에 적재
• fork를 세번, 네번하면 메모리에는 같은 프로세스가 통째로 세개, 네개 적재
  • 참고. fork 직후 같은 프로세스를 통째로 메모리에 중복 저장하지 않으면서 동시에 프로세스끼리 자원을 공유하지 않는 방법도 있는데, 이를 쓰기 시 복사(copy on write) 기법이라고 함

멀티 스레드

• 하나의 프로세스를 여러 스레드로 실행
• 스레드들은 각기 다른 스레드 ID, (별도의 실행을 위해 꼭 필요한) 프로그램 카운터 값을 포함한 레지스터 값, 스택을 가질 뿐 프로세스가 가지는 자원을 공유
  • 협력과 통신에 유리, 때로는 문제가 될 수 있음