[반효경 운영체제] Process 1

operating-system-study에서 스터디를 진행하고 있습니다.

프로세스의 개념

프로세스는 실행 중인 프로그램이다. 디스크에 실행 파일 형태로 존재하던 프로그램이 메모리에 올라가서 실행되기 시작하면 비로소 생명력을 갖는 프로세스가 되는 것이다.

 

프로세스의 문맥 (Context)

프로세스가 시작해서 종료할 때까지 CPU에서 명령을 한꺼번에 수행하면 좋겠지만, 여러 프로세스가 함께 수행되는 시분할 환경에서는 CPU를 자주 빼앗기고 획득하게 된다. 따라서 CPU를 다시 획득해 명령의 수행을 재개하는 시점이 되면, 이전 CPU 보유 시기에 어느 부분까지 명령을 수행했는지 정확한 상태를 재현할 필요가 있다. 이때 정확한 재현을 위해 필요한 정보가 바로 프로세스의 문맥이다.

즉, 프로세스의 문맥은 그 프로세스의 주소 공간 (코드, 데이터, 스택 상태)를 비롯해 레지스터에 저장된 값, 시스템 콜을 통해 커널에서 수행한 일의 상태, 그 프로세스에 관해 커널이 관리하고 있는 각종 정보 등을 포함하게 된다.

 

프로세스의 문맥은 3가지로 나눌 수 있다.

 

 

하드웨어 문맥

CPU의 수행 상태를 나타내는 것으로 프로그램 카운터 값과 각종 레지스터에 저장하고 있는 값들을 의미한다. 현재 시점에 프로세스가 명령을 어디까지 수행했는지 판단하는 지표가 된다.

 

프로세스의 주소 공간

code, data, stack에 들어 있는 내용이다.

 

프로세스 관련 커널 자료 구조 (커널 상의 문맥)

PCB (Process Control Block)

운영 체제가 프로세스에게 CPU나 메모리를 얼마나 줘야 하는지, 보안 상으로 취약한 행위를 하고 있지 않은지 관리하는 역할을 하는데, 이때 프로세스마다 상태를 관리하기 위해 PCB를 둔다.

 

Kernel Stack

시스템 콜을 하면 PC가 커널의 code를 가리키며 수행되는데, 호출 정보를 커널 스택에 프로세스 별로 스택을 두어서 저장한다.

 

프로세스의 상태

프로세스는 상태가 변경되며 수행된다.

 

• 실행 (Running)
  • CPU를 잡고 명령을 수행 중인 상태
• 준비 (Ready)
  • 메모리에 프로그램이 올라가 있지만, CPU가 없어서 기다리는 상태
• 봉쇄 (Blocked, Wait, Sleep)
  • CPU를 할당받더라도 당장 명령을 실행할 수 없는 상태
  • 프로세스 자신이 요청한 이벤트가 즉시 만족 되지 않아 이를 기다리는 상태
  • ex) 디스크에서 파일을 읽어와야 하는 경우
• 시작 (New)
  • 프로세스가 생성 중인 상태
• 완료 (Terminated)
  • 수행이 끝난 상태

 

사실 Suspended 상태가 추가로 있지만, 하단에 스케줄러를 설명하면서 같이 언급하려고 한다.

 

프로세스의 상태도

 

1. 프로세스가 생성되면 new 상태에서 ready 상태가 된다.
2. ready 상태에서 CPU를 얻으면 running 상태가 된다.
3. CPU 얻은 상태에서 내려 놓는 경우
   1. running → terminated
   2. 본인의 역할을 다하면 종료됨
   3. running → waiting
   4. I/O 같은 오래 걸리는 작업을 하면, CPU를 가지고 있어 봐야 명령을 수행할 수 없으므로 waiting 상태가 된다.
   5. running → ready
   6. 할당된 CPU 사용 시간이 끝나면 ready 상태가 된다.

 

프로세스의 상태 전환 예시

 

running 상태의 프로세스가 사용자로부터 키보드 입력을 받아서 결과를 확인하고 실행한다고 가정해 보자. 그러면 키보드 I/O 큐에 줄을 서게 된다. 즉, running 상태에서 blocked 상태로 변경된다. 그동안 CPU는 ready 상태에 있는 다른 프로세스에게 CPU를 전달한다.

키보드 입력을 받으면 키보드 컨트롤러가 CPU에게 인터럽트를 걸어서 알려주고, CPU는 하던 일을 멈추고 운영체제에게 넘어가서 프로세스 상태를 ready로 바꾼다. 즉, 키보드 입력이 들어왔기 때문에 CPU를 얻는 권한이 생기며 Ready 큐에 줄을 서게 된다.

이외에 프로세스는 공유 데이터에 접근하거나, 디스크, 키보드, 디스크 등 종류에 따라 그에 맞는 큐에 줄을 서게 된다.

 

Process Control Block (PCB)

 

프로세스 제어 블록이란 운영 체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 정보들을 담는 커널 내의 자료 구조를 뜻한다. PCB는 위 사진과 같은 요소들로 구성되어있다.

 

(1) OS가 관리 상 사용하는 정보

• 프로세스 상태, 프로세스 ID, CPU 스케줄링 정보, 프로세스 우선 순위 등

 

(2) CPU 수행 관련 하드웨어 값

• 프로그램 카운터, 레지스터 등

 

(3) 메모리 관련

• code, data, stack의 위치 정보 등

 

(4) 파일 관련

• 프로세스가 오픈한 파일 정보

 

문맥 교환 (Context Switch)

문맥 교환이란 하나의 사용자 프로세스로부터 다른 사용자 프로세스로 CPU의 제어권을 넘겨주는 과정을 말한다.

 

동작 과정

 

예를 들어 사용자 프로세스가 CPU를 할당 받고 실행되던 중에 타이머 인터럽트가 발생하면 CPU의 제어권은 운영체제에게 넘어가게 된다. 그러면 운영 체제는 타이머 인터럽트 처리 루틴으로 가서 직전까지 수행 중이던 프로세스의 문맥을 저장하고 새롭게 실행 시킬 프로세스에게 CPU의 제어권을 넘긴다. 이 과정에서 원래 수행 중이던 프로세스는 준비 상태로 바뀌고 새롭게 CPU를 할당 받은 프로세스는 실행 상태가 된다.

 

문맥 교환 중에 원래 CPU를 보유하고 있던 프로세스는 프로그램 카운터 값과 레지스터 값, 메모리 맵 등 프로세스의 문맥을 자신의 PCB에 저장하고, 새롭게 CPU를 할당 받을 프로세스는 예전에 저장했던 자신의 문맥을 PCB로부터 실제 하드웨어로 복원하는 과정을 거친다.

 

시스템 콜이나 인터럽트가 발생하면 항상 문맥 교환이 일어나는가?

정답은 X다. 아래 그림을 살펴 보자.

 

 

1번 경우는 프로세스가 실행 상태일 때 시스템 콜이나 인터럽트가 발생하여 CPU의 제어권이 운영 체제로 넘어와 원래 실행 중이던 프로세스의 업무가 잠시 멈추고 운영체제 커널의 코드가 실행된 경우다.

이 경우에도 CPU의 실행 위치 등 프로세스의 문맥 중 일부를 PCB에 저장한다. 하지만, 하나의 프로세스의 실행 모드가 사용자 모드에서 커널 모드로 바뀌는 것이고 CPU를 점유하는 프로세스가 다른 사용자 프로세스로 변경되는 것이 아니므로 문맥 교환이 아니다.

 

2번 경우는 타이머 인터럽트가 발생하거나 프로세스가 입출력 요청 시스템 콜을 하여 봉쇄 상태(Blocked)에 들어간 경우다. 이 때는 다른 사용자 프로세스에게 CPU의 제어권을 전달하므로 문맥 교환이 발생한다.

 

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

Job Queue

현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스 집합이다. (Ready Queue + Device Queues)

 

Ready Queue

현재 메모리에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 준비 상태의 프로세스 집합이다.

 

Device Queues

I/O 디바이스의 처리를 기다리는 봉쇄 상태의 프로세스 집합이다.

 

 

위 사진은 앞선 '프로세스의 상태 전환 예시'에서 Queue 그림을 실제 자료 구조에 맞게 그려 놓은 것이다.

 

스케줄러

스케줄러란 어떤 프로세스에게 자원을 할당할지를 결정하는 운영체제 커널의 코드를 지칭한다. 스케줄러에는 3가지 스케줄러가 존재한다.

 

Long-Term Scheduler (장기 스케줄러 or job scheduler)

• 시작 프로세스 중 어떤 것들을 Ready Queue로 보낼 지 결정한다.
• 프로세스에 메모리를 할당하는 문제에 관여한다. 시작 상태의 프로세스들 중 어떠한 프로세스를 Ready Queue에 삽입할 것인지 결정한다.
• degree of Multiprogramming을 제어
• Time Sharing System에는 보통 장기 스케줄러가 없다. 무조건 시작 상태의 프로세스는 전부 Ready Queue에 삽입한다.

 

Short-Term Scheduler (단기 스케줄러 or CPU scheduler)

• 어떤 프로세스를 다음 번에 running 할지 결정
• 프로세스에 CPU를 주는 문제
• 충분히 빨라야 한다. (millisecond 단위)

 

Medium-Term Scheduler (중기 스케줄러 or Swapper)

• 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크의 스왑 영역으로 쫓아낸다. (Swap Out)
• degree of Multiprogramming을 제어
• 주로 봉쇄 상태에 있는 프로세스들을 스왑 아웃하고, 그래도 메모리 공간이 부족하면 준비 큐 대기열 후반부에 있는 프로세스들을 스왑 아웃한다.

 

프로세스의 상태 (Suspended 추가)

중기 스케줄러의 등장으로 인해 프로세스의 상태에는 실행, 준비, 봉쇄 외에 하나의 상태가 더 추가된다. 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태를 나타내는 중지(suspended, stopped) 상태가 바로 그것이다. 중지 상태에 있는 프로세스는 외부에서 재개해야만 다시 활성화될 수 있다. 이 중지 상태의 프로세스는 스왑 아웃된 프로세스라고 생각하면 된다. (메모리를 조금도 보유하지 않음)

 

 

중지 상태는 중지 준비 상태와 중지 봉쇄 상태로 세분화할 수 있다. 준비 상태에 있던 프로세스가 중기 스케줄러에 의해 디스크로 스왑 아웃되면 이 프로세스의 상태는 중지 준비 상태가 된다. 이에 비해 봉쇄 상태에 있던 프로세스가 중기 스케줄러에 의해 스왑 아웃되면 이 프로세스의 상태는 중지 봉쇄 상태가 된다. 참고로 중지 봉쇄 상태이던 프로세스가 봉쇄되었던 조건을 만족하게 되면 중지 준비 상태로 바뀐다.

 

출처

http://www.kocw.or.kr/home/cview.do?mty=p&kemId=1046323

https://hyojaedev.tistory.com/28?category=1153831

운영 체제와 정보 기술의 원리 - 반효경