[운영체제] PCB & Context Switching
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프로세스 제어 블록 (PCB, Process Control Block)
Process Metadata
프로세스는 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 동적인 상태의 컴퓨터 프로그램, 즉 하나의 작업 단위이다. 프로세스는 여러 가지 특징을 가지고 있는데, 이러한 특징을 Process Metadata라고 한다.
Process Metadata
- process-id : 새로운 프로세스에 시스템이 할당해주는 고유 id
- process- state : 프로세스의 라이프 타임과 관련된 상태로, waiting, running, ready, blocked, end, suspend-wait, suspend-ready 가 있다
- priority : 프로세스 스케줄링을 위한 우선순위이다
- Process Accounting Information : CPU를 사용한 시간, CPU 할당 시간 등이 있다
- Program Counter : 이전에 배운 PC로 다음 작업할 명령어 위치를 기억한다
- List of Open Files : 실행 중에 프로그램에 필요한 모든 파일의 정보를 포함한다
- Process I/0 status information : 해당 프로세스가 실행 중에 할당을 요구한 I/O 장치에 대한 정보를 담는다
- CPU 레지스터 : context switch가 발생하면 이 때의 레지스터 정보를 기억해서 다시 프로세스가 CPU 할당을 받으면 사용한다. accumulator, index, stack pointer 와 같은 레지스터의 값이 저장된다
- PCB Pointer : 준비중인 다음 프로세스의 주소를 가리킨다. 준비 상태나, 대기 상태의 큐를 구현할 때 다음을 가리키는 포인터로 사용된다
- Memory management information : 메모리 관리 정보로 프로세스가 메모리의 어디에 있는 지 나타내는 메모리 정보와 메모리 보호를 위한 경계 레지스터, 한계 레지스터 값등이 저장된다. 또한, segmentation table , page table 등 정보도 보관한다
- PPID, CPID : 부모 프로세스를 가리키는 PPID, 자식 프로세스를 관리하는 CPID가 저장된다.- Process-id (프로세스 구분자): 메모리에 있는 여러 프로세스들을 구분하기 위한 존재다.
- 메모리 관리 정보: 프로세스의 메모리 위치 정보 및 메모리 보호를 위한 경계 레지스터와 한계 레지스터 값 등이 저장된다. CPU는 이를 통해 실행하려는 프로세스가 어떤 메모리에 저장되어 있는지 알 수 있다.
- 각종 중간값: 프로세스가 사용했던 중간 값들을 여러 프로세스가 번갈아 실행하는 경우, 프로세스는 일정 작업 시간 후 다른 프로세스에 CPU를 넘겨 주게 되는데, 이 때 다음 작업을 하게 되었을 때의 위치를 저장한다.
- PC(Program Counter): 다음 실행할 명령어
- CPU Register: 연산
이러한 메타 데이터를 통해 CPU는 각 프로세스를 구분할 수 있고, 이를 통해 프로세스가 여러 개일 때 전부 관리할 수 있다.
즉, CPU가 프로세스를 처리하는데 필요한 다양한 정보를 가지고 있다.
Process = Program + PCBMetadata의 생성과 PCB
이 Metadata는 프로세스가 생성되면 PCB에 저장된다.
- 프로그램 실행
- 프로세스 생성 (프로그램을 메모리에 적재)
- 프로세스 메타 데이터 생성
- 메타 데이터를 PCB에 저장 이때, 한 PCB에는 한 프로세스의 정보가 담긴다.
PCB의 필요성과 관리
프로세스가 여러 개 생성될 때, 즉 여러 개의 프로그램이 실행되고 있을 때, CPU는 프로세스의 상태에 따라 교체 작업을 수행한다.
교체 작업: Interrupt 발생 -> 할당 받은 프로세스 Waiting 상태로 변경 -> 다른 프로세스를 Running 상태로 변경PCB는 LinkedList 방식으로 관리되어 삽입과 삭제가 용이하다. 따라서 프로세스가 생성될 때 PCB List Head에 PCB가 삽입되고, 프로세스가 완료되면 PCB가 삭제되는 식으로 관리된다.
Context Switching
수행 중인 Task(Process/Thread)가 변경될 때, CPU의 레지스터 정보가 변경되는 것을 뜻한다. 즉, 이전 프로세스의 상태를 PCB에 보관하고, 다른 프로세스의 정보를 PCB에서 읽어와 CPU 레지스터에 적재하는 과정이다.
context: CPU가 다루는 프로세스/스레드에 대한 정보로, 대부분 레지스터에 저장되어 있고 PCB로 관리한다.프로세스의 상태
프로세스는 각각 상태를 가지고 있으며, 크게 활성 상태와 보류 상태로 나뉜다.
활성 상태
- New: 프로세스가 메모리에 올라와 실행 준비를 완료한 상태이며, PCB가 생성된다.
- Ready: 생성된 프로세스가 CPU를 받을 때까지 기다리는 상태다.
- Running: Ready 상태에 있던 프로세스가 CPU를 받아 실행되는 상태다.
- Waiting(block): Running 상태에 있던 프로세스가 입출력을 요청한 후 입출력이 완료될 때까지 기다리는 상태다.
- End(terminate): 프로세스가 종료되는 상태이며, 사용했던 데이터를 삭제하고 PCB를 폐기한다. 활성 상태에 있는 프로세스는 메모리에는 올라와 있으며 실행이 되고 있거나 잠시 멈춘 상태다.
보류 상태
활성 상태와 달리 보류 상태에 있는 프로세스는 메모리에 적재되어 있지 않으며, 일시 정지 상태라고도 부른다. 메모리에서 쫓겨 난 프로세스는 Swap 영역에 보관된다.
상태 변경
CPU를 차지하며 Running 상태이던 프로세스가 나가고 새로운 프로세스가 Running 상태가 되는 작업이며, 이때 각 프로세스의 PCB가 변경된다. 즉, 실행 상태에서 나가는 프로세스의 PCB는 작업 내용을 저장하며, 실행 상태로 들어오는 프로세스는 PCB 내용을 바탕으로 CPU가 세팅된다.
프로세스의 변경은 다양한 상황에서 발생한다.
- Running → Ready: 실행 중이던 프로세스가 작업 시간을 다 사용하여 timeout이 발생하면 준비 상태로 옮긴다.
- Running → End: 실행 중이던 프로세스가 작업 시간 안에 작업을 끝내면 종료 상태로 옮긴다.
- Running → Waiting: 실행 중이던 프로세스가 입출력을 요청하면 대기 상태로 옮긴다.
- Waiting → Interrupt → Ready: 입출력을 요청하여 대기 상태에 있던 프로세스의 요청이 완료되면 Interrupt가 발생하여 해당 프로세스를 깨워서 준비 상태로 옮긴다. 즉, Context Switching은 하드웨어를 통한 I/O 요청이나 CPU 스케줄링에 의한 Interrupt에 의해 발생한다.
Cost
Context Switching 발생 시 많은 Cost가 소요된다.
- Cache 초기화
- Memory Mapping 초기화
- Kernel은 항상 실행되어야 함.
따라서 잦은 Context Switching은 성능 저하를 야기한다.
결론
PCB의 역할은 무엇인가?
PCB에는 프로세스 ID, 각종 메모리나 중간값과 같은 프로세스 메타 데이터를 저장하는 공간이다. PCB에 저장된 정보를 통해 CPU는 각 프로세스를 구분하고 관리할 수 있으며, Context Switching이 발생하였을 때 이를 이용한다.
Context Switching이란?
현재 수행 중인 프로세스의 상태 정보를 PCB에 저장하고, 다음 수행할 프로세스의 PCB에서 정보를 읽어와 CPU 레지스터를 세팅하는 과정이다.
Context Switching은 언제 발생하는가?
실행되고 있는 프로세스가 빠지고 새로운 프로세스가 CPU를 받을 때 발생한다. CPU 스케줄링에 의해 할당된 작업 시간이 끝나 timeout이 발생했거나, 프로세스의 작업이 끝났거나, 실행 중이던 프로세스가 입출력 요청을 하는 등의 이유로 interrupt가 발생했을 때 Context Switching이 이루어진다.
Context Switching이 왜 필요한가?
CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 수행할 수 있지만, 실생활에서 우리는 여러 개의 프로세스를 동시에 수행하고자 한다. 따라서 CPU는 여러 개의 프로세스를 번갈아가면서 수행함으로써 동시에 수행하는 것처럼 보이게 하기 위하여 Context Switching을 사용한다.
출처
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