[운영체제와 정보기술의 원리] 5장 프로세스 관리

1. 프로세스 관리

• 프로세스(process)란 실행 중인 프로그램(program in execution)을 말한다. 
• 프로세스의 문맥(context)이란 프로세스가 현재 어떤 상태에서 수행되고 있는지 정확히 규명하기 위해 필요한 정보를 의미한다. 
  • 하드웨어 문맥 : CPU의 수행 상태를 나타냄. 프로그램 카운터값과 각종 레지스터에 저장하고 있는 값을 말한다.
  • 프로세스의 주소 공간(코드, 데이터, 스택)
  • 커널상의 문맥 : PCB와 커널스택

 

2. 프로세스의 상태

프로세스의 상태 3가지

• 실행(running) : 프로세스가 CPU를 보유하고 기계어 명령을 실행하고 있는 상태
• 준비(ready) : 프로세스가 CPU만 보유하면 당장 명령을 실행할 수 있지만 CPU를 할당받지 못한 상태
• 봉쇄(blocked, wait, sleep) : CPU를 할당받더라도 당장 명령을 실행할 수 없는 프로세스의 상태

문맥교환(context switch)

• 실행시킬 프로세스를 변경하기 위해 원래 수행 중이던 프로세스의 문맥을 저장하고 새로운 프로세스의 문맥을 세팅하는 과정

CPU 디스패치(dispatch)

• 문맥교환이 일어날 때 준비 상태에 있는 프로세스들 중에서 CPU를 할당받을 프로세스를 선택한 후 실제로 CPU의 제어권을 넘겨받는 과정

 

3. 프로세스 제어블록

프로세스 제어블록(Process Control Block: PCB)

• 운영체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 정보들을 담는 커널 내의 자료구조
  • 프로세스의 상태 : CPU를 할당해도 되는지 결정에 필요하다
  • 프로그램 카운터의 값 : 다음에 수행할 명령의 위치를 가리킨다
  • CPU 레지스터의 값 : CPU 연산을 위해 현시점에 레지스터에 어떤 값을 저장하고 있는지를 나타낸다
  • CPU 스케쥴링 정보 : 각각 그 프로세스의 CPU 스케쥴링과 메모리 할당을 위해 필요한 정보이다. 
  • 메모리 관리 정보 : 각각 그 프로세스의 CPU 스케쥴링과 메모리 할당을 위해 필요한 정보이다. 
  • 자원 사용 정보 : 사용자에게 자원 사용 요금을 계산해 청구하는 등의 용도로 사용된다. 
  • 입출력 상태 정보 : 프로세스가 오픈한 파일 정보 등 프로세스의 입출력 관련 상태 정보를 나타낸다.

 

4. 문맥교환

• 하나의 사용자 프로세스로부터 다른 사용자 프로세스로 CPU의 제어권이 이양되는 과정을 말한다. 
• 문맥교환에 소요되는 시간은 시스템 입장에서 볼 때 일종의 오버헤드라고 할 수 있는데, 문맥교환 중에 일어나는 작업이 실제 시스템에게 유용한 작업이 아니기 때문이다. 

 

5. 프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• 준비 큐(ready queue) : 준비 상태에 있는 프로세스들을 줄 세우기 위해 사용한다. 준비 큐의 제일 앞에 있는 프로세스에 제일 먼저 CPU를 할당한다. 
• 장치 큐(device queue) : 특정 자원을 기다리는 프로세스들을 줄 세우기 위해 자원별로 장치 큐를 둔다. 
• 작업 큐(job queue) : 시스템 내의 모든 프로세스를 관리하기 위한 큐
• 프로세스의 상태 관리는 커널의 주소 영역 중 데이터 영역에 다양한 큐를 두어 수행한다. 

 

6. 스케쥴러

스케쥴러 : 어떤 프로세스에게 자원을 할당할지를 결정하는 운영체제 커널의 코드를 말한다. 

• 장기 스케쥴러 = 작업 스케줄러
  • 어떤 프로세스를 준비 큐에 진입시킬지 결정
  • 프로세스에게 메모리를 할당하는 문제에 관여한다. 
  • 메모리에 동시에 올라가 있는 프로세스의 수를 조절한다. 
• 단기 스케줄러 = CPU 스케줄러
  • 준비 상태의 프로세스 중에서 어떤 프로세스를 다음번에 실행 상태(CPU 할당)로 만들 것인지 결정한다. 
• 중기 스케줄러
  • 메모리에 올라와 있는 프로세스의 수를 동적으로 조절한다. 
  • 너무 많은 프로세스에게 메모리를 할당해 시스템의 성능이 저하되는 경우 이를 해결하기 위해 추가된 스케줄러이다. 

 

7. 프로세스의 생성

운영체제가 프로세스 전부를 생성하지 않고 시스템이 부팅된 후 최초의 프로세스는 운영체제가 직접 생성하지만 그다음부터는 이미 존재하는 프로세스가 다른 프로세스를 복제 생성한다. 

• 프로세스가 생성되면 자신만의 독자적인 주소 공간을 갖는다. 
• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성하면 자식 프로세스는 별도의 주소 공간을 가지게 된다.
• 프로세스의 생성 절차 (유닉스)
  • 1. fork() : 시스템 콜을 통해 새로운 프로세스 생성. 프로세스 ID를 제외한 모든 정보(운영체제 커널 내의 정보와 주소 공간의 정보)를 그대로 복사한다. 
  • 2. exec() : 시스템 콜을 통해 새로운 프로그램으로 주소 공간을 덮어 씌운다. 
• 부모 프로세스가 종료되기 전에 그 아래에 존재하는 모든 자식 프로세스들이 먼저 종료되어야 한다. 

프로세스 종료

• 1. 프로세스가 마지막 명령을 수행한 후 운영체제에게 이를 알려 이루어지는 자발적 종료
  • exit()
• 2. 비자발적 종료로 부모 프로세스가 자식 프로세스의 수행을 강제로 종료시키는 것
  • abort()

 

8. 프로세스 간의 협력

프로세스는 각자 자신만의 독립적인 주소 공간을 가지고 수행되며 프로세스가 다른 프로세스의 주소 공간을 참조하는 것은 허용되지 않는다. 

 

프로세스 간의 협력 메커니즘

• IPC(inter-Process Communication) : 하나의 컴퓨터 안에서 실행 중인 서로 다른 프로세스 간에 발생하는 통신
  • 의사소통 기능과 동기화를 보장해주어야 한다. 
  • 메시지 전달(message passing) 방식(공유 데이터 X)과 공유메모리(shared memory) 방식(공유 데이터 O)이 있다.