[OS] 프로세스

프로그램 : 실행파일 같이 disk에 저장되어 있는 수동적인 존재

프로세스 : 다음에 실행할 명령어를 지정하는 PC와 관련된 resource 집합을 가진 능동적인 존재, 실행 중인 프로그램

 

프로세스의 메모리 공간

프로세스의 메모리 공간은 text, data, heap, stack 영역으로 구성된다.

• text : 사용자가 작성한 프로그램 코드가 CPU에서 실행 가능한 기계어로 변환되어 저장되는 공간
• data : 전역변수, static 변수 같이 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 공간
• heap : 프로그래머가 직접 필요할 때마다 직접 공간을 할당하여 사용하는 메모리 공간
• stack : 호출한 함수를 마치고 복귀할 주소, 데이터를 임시로 저장하는 공간

프로세스의 메모리 구조

 

Process Control Block(PCB)

• PCB는 프로세스에 관한 여러 정보들을 저장하고 있다.
• Process state : new, ready, running, waiting 같은 상태를 저장한다.
• Program counter : 다음 실행할 명령어의 주소를 저장한다.
• Registers : 모든 프로세스에 관한 레지스터들에 대한 내용이 저장된다.
• Scheduling information : 프로세스 우선순위, 스케쥴링에 관한 queue 포인터가 저장된다.
• Memory management information : base register, limit register 값과 pagetable, segment table의 정보가 저장된다.
• Accounting information : CPU 사용시간, 경과시간을 저장한다.
• I/O status informaiton : 해당 프로세스에 할당된 I/O device에 대한 정보를 저장한다.

 

프로세스 상태

프로세스는 실행되면서 상태가 변화하고, 현재 활동에 따라 프로세스의 상태가 정해진다.

• New : 프로세스가 생성 중이다.
• Running : 명령어가 실행되고 있다.
• Waiting : 프로세스가 어떤 event가 끝나기를 기다린다.
• Ready : 프로세스가 processor에 할당되기를 기다린다.
• Terminated : 프로세스의 실행이 종료되었다.

 

스케줄링 큐(Scheduling queue)

• Job queue : 모든 프로세스가 시스템에 들어오면 놓이게 되는 queue
• Ready queue : 메인 메모리에 존재하고, Ready 또는 Waiting 상태에 있는 프로세스가 있는 queue
• Device queue : I/O 입력을 대기하는 프로세스가 있는 queue

 

스케줄러(Scheduler)

long term scheduler

현재 내가 수행해야 하는 job이 있을 때 이를 수행하기 위해서는 메모리에 job을 적재해야 한다. 여기서 이 중에서 어떤 job을 골라 메모리에 올리는 지를 결정하는 것이 long term scheduler이다.

long term scheduler는 Job pool로부터 프로세스를 선별하여 메모리에 올린다. 즉, Ready queue에 프로세스를 올리는 작업을 한다고 볼 수 있다.

프로세스의 CPU bound와 I/O bound에 따라 long term scheduler가 적절하게 우선순위를 두어 프로세스를 메모리에 올리게 된다.

하지만 요즘 스케줄링 방식에는 long term scheduler가 쓰이지 않는다. 가상 메모리에 등장으로 메모리 공간에 제약조건이 크게 줄어들어 실행 준비가 된 모든 프로세스를 메모리에 올리고 ready queue에 넣는 방식으로 동작한다.

 

short term scheduler

long term scheduler가 메모리에 프로세스를 올려놨을 때 CPU는 그중에서 1개를 선택해 작업을 수행해야 한다. 이때 CPU를 차지할 프로세스를 골라주는 스케줄러가 short term scheduler이다.

예를 들어 I/O의 입력을 받는 프로세스를 실행 중일 때 입력이 들어올 때까지 대기하는 것은 비효율적이다. 이때 short term scheduler가 I/O 프로세스를 waiting queue에 넣고 메모리에 있는 새로운 프로세스를 실행할 수 있게 한다.

 

문맥 교환(context switch)

interrupt가 발생하면 시스템은 현재 실행 중인 프로세스에 대한 정보를 PCB에 보관하고, 새로운 프로세스의 PCB에 저장된 정보를 CPU로 가져와야 한다. 이러한 과정을 context switch라고 한다.

context switch가 진행하는 동안 시스템은 어떤 useful works도 할 수 없게 된다.

 

프로세스 생성

프로세스는 다른 프로세스를 새로 생성할 수 있다. 이때 생성하는 프로세스를 부모 프로세스라 하고  새롭게 생성되는 프로세스를 자식 프로세스라 한다.

프로세스는 pid라는 고유한 식별자로 구분할 수 있다.

 

UNIX(Linux)에서 프로세스를 새로 생성하는 함수에는 크게 2가지가 있디.

fork()

부모 프로세스가 fork()를 통해 자식 프로세스를 생성하게 되면 새로운 프로세스를 위한 메모리 공간이 할당된다.

그리고 부모 프로세스의 pid를 제외한 모든 정보를 새로운 메모리 공간으로 복사하게 되고, 부모자식 프로세스 모두 정상적으로 코드를 수행한다.

exec()

프로세스가 exec()를 호출하면 fork()와 다르게 새로운 메모리를 할당하지 않고 exec()를 호출한 프로세스의 메모리를 새로운 프로세스가 덮어쓰게 된다.

즉 exec()를 호출한 뒤의 원래 있던 코드들은 사라지고 새로운 코드를 실행시킬 수 있다.

 

프로세스 종료

프로세스는 마지막 명령을 수행한 뒤 exit() system call을 이용하여 OS에게 종료 여부를 요청할 수 있다.

부모 프로세스는 wait()를 통해 자식 프로세스의 종료 상태를 얻을 수 있다. 이때 자식 프로세스가 종료되지 않았다면 종료할 때까지 기다린다.

wait()의 동작 방식은 다음과 같다.

• 자식 프로세스가 실행 중인 경우 상태를 얻어올 때까지 대기
• wait() 함수의 호출자가 시그널을 받을 때까지 대기
• 자식 프로세스가 이미 종료되었다면 즉시 반환값으로 상태를 얻음(자식 프로세스의 pid)
• 자식 프로세스가 없다면 에러값을 리턴

 

만약 자식 프로세스가 종료되었는데 부모 프로세스가 wait()을 호출하지 않은 자식 프로세스를 Zombie Process라 부른다.

부모 프로세스가 wait()를 호출하지 않고 자식 프로세스보다 먼저 종료해 버린 자식 프로세스를 Orphan Process라 부른다.