[OSTEP] 4. Processes
이 포스팅은 Operating Systems: Three Easy Pieces, Remzi H. Arpaci-Dusseau & Andrea C. Arpaci-Dusseau을 읽고 개인 학습용으로 정리한 글입니다.
CH 7. 프로세스의 개념
-
프로세스(process): 실행 중인 프로그램
-
프로그램: 디스크 상에 존재하는 실행을 위한 명령어와 정적 데이터의 묶음
-> 프로그램 자체는 생명이 없음
-> 프로그램을 읽고 실행하여 프로그램에 생명을 불어넣는 것이 운영체제 -
운영체제는 CPU를 가상화하여 CPU가 여러 개 존재한다는 환상 제공
시분할(time sharing)
-
하나의 프로세스를 실행하고, 얼마 후 중단시키고 다른 프로세스를 실행하는 작업을 반복
-
CPU를 공유하기 때문에, 각 프로세스의 성능은 낮아진다
메커니즘
-
메커니즘(mechanism): 필요한 기능을 구현하는 방법이나 규칙
-
ex. 문맥 교환(context switch): CPU에서 프로그램 실행을 잠시 중단하고 다른 프로그램을 실행하는 것
정책
-
정책(policy): 운영체제 내에서 어떤 결정을 내리기 위한 알고리즘
-
ex. 스케쥴링 정책(scheduling policy): 실행 가능한 여러 프로그램들이 있을 때, 운영체제는 어느 프로그램을 실행시켜야 하는지 결정하는 알고리즘
1. 프로세스의 개념
-
프로세스(process): 운여엧제가 제공하는 실행 중인 프로그램의 개념
-
특정 순간의 프로세스를 간단하게 표현하려면, 실행되는 동안 접근했거나 영향을 받은 자원의 목록을 작성하면 된다
하드웨어 상태
-
프로그램이 실행되는 동안 하드웨어 상태(machine state)를 읽거나 갱신할 수 있다
-
메모리
- 프로세스의 하드웨어 상태 중 가장 중요한 구성 요소
- 메모리에 명령어 & 실행 프로그램이 읽고 쓰는 데이터가 저장됨
- 프로세스가 접근할 수 있는 메모리 = 프로세스의 주소 공간(address space) -
레지스터
- 프로세스의 하드웨어 상태의 구성 요소 중 하나
- 많은 명령어들이 레지스터를 직접 읽거나 갱신- ex. 프로그램 카운터(program counter, PC): 프로그램의 어느 명령어가 실행 중인지 알려줌 (= 명령어 포인터(instuction pointer, IP))
- ex. 스택 포인터(stack pointer) & 프레임 포인터(frame pointer): 함수의 변수와 리턴 주소를 저장하는 스택을 관리할 때 사용
-
프로그램은 영구 저장장치(persistent storage)에 접근하기도 함
-> 이 입출력 정보는 프로세스가 현재 열어 놓은 파일 목록을 가지고 있다
2. 프로세스 API
-
운영체제가 반드시 API로 제공해야 하는 기본 기능
-
생성(Create)
쉘에 명령어를 입력하거나 응용 프로그램의 아이콘 더블 클릭하여 프로그램 실행시키면 운영체제는 새로운 프로세스를 생성
-
제거(Destroy)
많은 프로세스는 실행되고 할 일을 다하면 스스로 종료한다
그러나 프로세스가 스스로 종료하지 않는 경우 필요없는 프로세스를 중단시켜야
-
대기(Wait)
때로는 어떤 프로세스의 실행 중지를 기다릴 필요가 있음
여러 종류의 대기 인터페이스 존재 -
각종 제어(Miscellaneous Control):
ex. 대부분의 운영체제는 프로세스를 일시정지하거나 재개하는 기능 제공 -
상태(Status)
프로세스 상태 정보를 얻어내는 인터페이스 제공
(프로세스의 상태 정보: 얼마 동안 실행되었는지, 프로세스가 어떤 상태에 있는지 등 포함)
3. 프로세스 생성: 좀 더 자세하게
- 운영체제는 어떻게 프로그램을 준비하고 실행시키는가?
실제로 어떻게 프로세스를 생성하는가?
(1)
-
프로그램 코드와 정적 데이터(static data)를 메모리, 프로세스의 주소 공간에 탑재(load)해야 한다
-
프로그램은 디스크 또는 플래시-기반 SSD에 특정 실행 파일 형식으로 존재
-> 운영체제는 디스크의 해당 바이트를 읽어서 메모리의 어딘가에 저장해야 한다 -
초기 운영체제들은 프로그램 실행 전에 코드와 데이터를 모두 메모리에 탑재하였음
-
현대의 운영체제들은 프로그램을 실행하면서 코드나 데이터가 필요할 때 필요한 부분만 메모리에 탑재한다
(2)
-
일정량의 메모리가 프로그램의 실행시간 스택(run-time stack) 용도로 할당 되어야 한다
-
C 프로그램은 지역 변수, 함수 인자, 리턴 주소 등을 저장하기 위해 스택 사용
-
⚡운영체제는 스택을 주어진 인자로 초기화한다
-> main()함수의 인자인 argc와 argv 벡터를 사용하여 스택 초기화
(3)
-
프로그램의 힙(heap)을 위한 메모리 영역을 할당한다
-
C 프로그램에서 힙은 동적으로 할당된 데이터를 저장하기 위해 사용된다
-> malloc()을 호출하려 필요한 공간 요청
-> free()를 호출하여 사용했던 공간 반환 -
힙은 연결 리스트, 해시 테이블, 트리 등 크키가 가변적인 자료구조를 위해 사용됨
-
⚡프로그램이 실행되면 malloc() 라이브러리 API를 호출하여 메모리를 요청하고, 운영체제가 이를 충족하도록 메모리를 할당한다
(4)
-
입출력과 관계된 초기화 작업을 수행한다
-
⚡Unix 시스템에서 각 프로세스는 기본적으로 세 개의 파일 디스크립터(file desctiptor)를 갖는다
-> 표준 입력(STDIN), 표준 출력(STDOUT), 표준 에러(STDERR)
-> 이 디스크립터들을 사용하여 프로그램은 터미널로부터 입력을 읽고 화면에 출력을 프린트하는 작업을 쉽게 할 수 있다
(5)
-
(1) 코드와 정적 데이터릴 메모리에 탑재하고, (2) 스택과 (3) 힙을 생성하고 초기화하고, (4) 입출력 셋업과 관계된 다른 작업을 마치게 되면, 운영체제는 프로그램 실행을 위한 준비를 마치게 된다
-
프로그램의 시작 지점(entry point), 즉 main()에서부터 프로그램 실행을 시작하는 마지막 작업만 남는다
-> main() 루틴으로 분기
-> 운영체제는 CPU를 새로 생성된 프로세스에게 넘김
-> 프로그램 실행 시작
4. 프로세스 상태
-
프로세스의 상태는 다음 세 상태 중 하나에 존재할 수 있다
-
실행(Running):
프로세스는 프로세서에서 명령어를 실행 중이다 -
준비(Ready):
프로세스는 실행할 준비가 되어 있지만 운영체제가 다른 프로세스를 실행하고 있는 등의 이유로 대기 중이다 -
대기(Blocked):
프로세스가 다른 사건을 기다리는 동안 프로세스의 수행을 중단시키는 연산
ex. 프로세스가 디스크에 대한 입출력 요청을 하였을 때 프로세스는 입출력이 완료될 때까지 대기 상태가 되고, 다른 프로세스가 실행 상태로 될 수 있다
- 프로세스는 스케쥴링 정책에 따라 준비 상태 <-> 실행 상태로 전이한다
예
예
5. 자료 구조
-
운영체제도 일종의 프로그램이다
-> 다른 프로그램들과 같이 다양한 정보를 유지하기 위한 자료구조를 가짐 -
xv6 커널에서 각 프로세스를 추적하기 위해 운영체제가 필요로 하는 정보
-> Linux, Mac OS X, Windows 같은 운영체제들도 이와 비슷한 프로세스 구조를 가짐
레지스터 문맥(register context)
- 프로세스가 중단되었을 때 해당 프로세스의 레지스터 값 저장
-> 이 레지스터값들을 복원하여 운영체제는 프로세스 실행을 재개한다
가능한 프로세스 상태
-
실행, 준비, 대기 이외에 다른 상태들 존재
-
초기(initial) 상태: 프로세스가 생성되는 동안 초기 상태에 머무른다
-
최종(final) 상태: 프로세스는 종료되었지만 메모리에 남아있는 상태
-> 프로세스가 성공적으로 실행했는지를 다른 프로세스(보통 부모 프로세스)가 검사하는 데 유용하다 -
부모 프로세스는 자식 프로세스의 종료를 대기하는 시스템 콜(ex. wait())을 호출한다
-> 이 호출은 종료된 프로세스와 관력된 자원들을 정리할 수 있다고 운영체제에게 알리는 역할도 한다 -
⚡Unix-기반 시스템에서는 최종 상태를 좀비(zombie) 상태라고 부른다
-> 프로세스가 성공적으로 종료되었으면 0을, 그렇지 않으면 0이 아닌 값을 반환한다
📌참고자료
- 좀비 프로세스, 고아 프로세스
https://latter2005.tistory.com/106
