[Computer Science][Operating System] 🖥️ PCB와 프로세스 관리

Process Management

CPU가 여러 프로세스를 효과적으로 관리하기 위해 CPU 스케줄링을 활용하는 과정을 의미합니다. 이때 CPU는 각 프로세스를 인식할 수 있어야 합니다.

프로세스의 특성을 담고 있는 것이 바로 process Metadata입니다.

• Process Metadata
  • Process ID
  • Process State
  • Process Priority
  • CPU Registers
  • Owner
  • CPU Usage
  • Memory Usage

이 메타데이터는 프로세스가 생성될 때 PCB(Process Control Block)라는 구조체에 저장됩니다.

PCB(Process Control Block) 📜

PCB는 프로세스 메타데이터를 저장하는 공간으로, 각 PCB는 하나의 프로세스 정보를 담고 있습니다.

프로그램 실행 -> 프로세스 생성 -> 프로세스 주소 공간에 (코드, 데이터, 스택) 생성 -> 이 프로세스 메타데이터들이 PCB에 저장됩니다.

PCB가 왜 필요한가요? ❓

CPU는 프로세스의 상태에 따라 교체 작업을 수행합니다. (예: 인터럽트 발생 시 할당받은 프로세스가 대기 상태가 되고 다른 프로세스가 실행될 때) 이때, 다시 수행할 대기 중인 프로세스의 정보를 PCB에 저장해두는 것이 필요합니다.

PCB는 어떻게 관리되나요? 🔗

PCB는 Linked List 방식으로 관리됩니다. PCB List Head에 PCB가 생성될 때마다 연결되며, 주소값으로 연결되어 있어 삽입과 삭제가 용이합니다. 프로세스가 생성되면 PCB가 생성되고, 프로세스가 완료되면 제거됩니다.

이렇게 수행 중인 프로세스를 변경할 때, CPU의 레지스터 정보(현재 진행 중인 프로세스 정보)가 변경되는 과정을 Context Switching이라고 부릅니다.

Context Switching이란? ⏳

프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정입니다. 즉, 실행 중인 프로세스가 대기 상태로 전환될 때 그 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 프로세스가 실행되면서 이전에 보관한 프로세스 상태를 복구하는 과정을 의미합니다.

프로세스는 각기 독립된 메모리 공간을 할당받아 사용하므로, 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 발생할 경우 오버헤드가 발생할 수 있습니다. CPU는 이전 프로세스 상태를 PCB에 보관하고, 다른 프로세스의 정보를 PCB에서 읽어 레지스터에 적재하는 과정을 거칩니다.

일반적으로 인터럽트가 발생하거나, 실행 중인 CPU 사용 허가 시간이 소진되거나, 입출력을 위해 대기해야 하는 경우에 Context Switching이 발생합니다. 즉, 프로세스가 Ready -> Running, Running -> Ready, Running -> Waiting처럼 상태 변경 시 발생합니다!

Context Switching의 OverHead란? ⚠️

Overhead는 과부하라는 의미로, 일반적으로 부정적인 의미로 사용됩니다. 하지만 프로세스 작업 중에는 Overhead를 감수해야 하는 상황이 존재합니다.

프로세스를 수행하다가 입출력 이벤트가 발생하여 해당 프로세스가 대기 상태로 전환될 수 있습니다. 이때 대기 상태로 진입한 프로세스의 요청은 외부에서 처리되며, CPU를 그냥 놀게 두는 것보다 다른 프로세스를 수행하는 것이 효율적입니다.

즉, CPU에 계속 프로세스를 실행시키기 위해 오버헤드를 감수하면서도 다른 프로세스를 실행하는 것이 Context Switching의 목적입니다. CPU를 놀리지 않도록 하여 사용자에게 빠르고 효율적인 서비스를 제공하는 데 기여합니다.

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[1] velog - [운영체제]CPU 스케줄링(feat. PCB, Context Switching) (https://velog.io/@tjdtn0219/%EC%9A%B4%EC%98%81%EC%B2%B4%EC%A0%9CCPU-%EC%8A%A4%EC%BC%80%EC%A4%84%EB%A7%81feat.-PCB-Context-Switching)
[2] 티스토리 - [운영체제] CPU 스케줄링 - 💻평범한 공대생의 개발 노트💻 (https://rob-coding.tistory.com/31)
[3] GitHub - [Operating System - Chapter 5] CPU 스케줄링 (https://imbf.github.io/computer-science(cs)/2020/10/18/CPU-Scheduling.html)
[4] 티스토리 - [정보처리기사 필기] 4과목 - 프로세스, 스레드, CPU 스케줄링 ... (https://pupbani.tistory.com/132)