[운영체제] ep2) 프로세스(process)

ㅁ프로세스(process): 실행 중인 프로그램 (실행/스케줄링의 단위 및 자료구조)

보조기억장치에 저장된 프로그램을 메모리에 적재하고 실행하는 순간, 그 프로그램은 프로세스가 된다

그리고 이 과정을 "프로세스를 생성한다"라 표현한다

프로세스의 구조

 

 

 

+ 프로세스를 직접 확인하는 방법

- Windows: 작업 관리자 프로세스 탭

 

- UNIX체계: ps 명령어

ps는 process state의 약자이다

 

 

 

포그라운드(foreground) 프로세스: 사용자가 볼 수 있는 앞 공간에서 실행되는 프로세스

vs

백그라운드(background) 프로세스: 사용자가 보지 못하는 뒷 공간에서 실행되는 프로세스

이 백그라운드 프로세스 중에서 사용자와 상호작용하지 않고 혼자 묵묵히 일을 수행하는 프로세스들을 Windows에서는 서비스(service)라 하고 UNIX체계에서는 데몬(daemon)이라고 한다

 

여담) 데몬이 '눈에 보이지 않는' 악마이지 않는가? 우리말로 직역하면 귀신프로세스 느낌으로 받아들이면 될 것 같다

 

 

 

ㅇPCB(Process Control Block): 프로세스와 관련된 여러 정보를 저장하는 자료구조

프로세스 제어 블록(PCB)

 

쉽게 말하면 옷가게 옷에 있는 태그 같은 느낌이다

이 태그들을 이용해서 수많은 프로세스들을 식별한다

"PCB는 커널영역에 적재된다"

(PCB는 프로세스 생성 시에 만들어지고 실행이 끝나면 폐기된다)

 

타이머 인터럽트는 클럭 신호를 발생시키는 장치에 의해 주기적으로 발생하는 HW 인터럽트

 

 

 

[PCB에 담기는 정보 4가지] (OS마다 약간씩 상이하다)

1. PID(Process ID): 고유한 프로세스 식별 번호

※ PPID: Parent PID

가운데에 PID값을 확인할 수 있다

 

2. Processor State Information: 레지스터 값들 - PC, 스택 포인터, PSW 등

프로세스는 이전까지 진행했던 작업들을 그대로 이어 실행하기 위해 레지스터의 중간값들을 모두 복원한다

 

3. Process Control Information: 자원 + 실행 관련 정보들

[자원 관련 정보들]

- memory management 정보 3가지

① 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지(페이지 테이블 정보)

② HDD Swapping area 어디에 있는지

③ 베이스 레지스터, 한계 레지스터

- resource ownership

- utilization: 장치를 얼마나 많이 사용했는지

- process privileges

[실행 관련 정보들]

- CPU Schduling 방식

- Process State

- IPC(Inter-Process Communication) e.g. 메시지 큐, 파이프, 공유 메모리 등

- data structuring

① process 포인터

② process image 포인터

③ process tree 포인터 (부모-자식 관계)

 

4. 사용한 파일과 I/O 장치 목록

어떤 파일들을 열었는지, 어떤 I/O가 이 프로세스에 할당되었는지

 

 

User processes in VM

 

 

 

ㅁ프로세스가 배치되는 사용자 영역 4가지

프로그래밍에 있어 매우 중요한 내용이므로 잘 알아두자

 

 

1. 코드 영역(텍스트 영역): CPU가 실행하는 기계어(명령어) 저장

쓰기가 금지되어 있는 읽기 전용 공간이다(read-only)

 

2. 데이터 영역: 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터를 저장

e.g. 전역 변수(global variable), 정적 변수(static variable)

 

3. 힙(heap) 영역: 개발자가 직접 할당할 수 있는 저장공간

e.g. malloc() 함수, free() 함수

힙 영역에 메모리 공간을 할당하면 무조건 후에 해당 메모리 공간을 반환해야 한다

메모리 공간을 반환하지 않는다면 메모리 내에 계속 남아 메모리 낭비가 된다, 이런 문제를 메무리 누수(leak)이라 한다

 

+ 최신 프로그래밍 언어는 "가비지 컬렉션"을 통해 메모리 누수를 자동으로 막아주기도 한다

e.g. java, python

 

※ 자료구조의 힙(Heap)과 컴퓨터 메모리의 힙 영역(Heap Area)은 완전히 다른 개념이다

 

4. 스택(stack) 영역: 데이터를 일시적으로 저장하는 공간

e.g. 지역 변수(local variable), 매개 변수

PUSH: 일시적으로 사용할 데이터를 저장

POP: 더 이상 필요하지 않은 데이터를 삭제

 

※ 자료구조의 스택(Stack)과 컴퓨터 메모리의 스택 영역(Stack Area)은 완전히 다른 개념이다

- 자료구조 스택: 힙 영역

- 지역변수 저장, 함수 호출: 스택 영역

 

 

 

 

 

 

 

ㅇContext Switching(문맥 교환): A 프로세스의 문맥을 PCB에 백업하고, B 프로세스의 PCB로부터 문맥을 가져와 B 프로세스를 실행하는 것

여기서 context(문맥)이란 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 중간정보를 말한다

정확히는 CPU 안에 있는 레지스터값들을 의미한다

실행 문맥을 백업해 두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있다

 

 

문맥 교환이 자주 일어나면 프로세스가 그만큼 빨리 번갈아 가며 수행되기 때문에 "프로세스들이 동시에 실행되는 것처럼 보인다"

(하지만 문맥 교환을 너무 자주 하면 오버헤드가 발생할 수 있다)

 

 

 

 

 

ㅁ프로세스 상태(process state) - 기본적으로 5가지이다 (OS마다 조금씩 다르며 추가된다)

Process States for Trace

 

1. New(생성 상태): 프로세스를 생성 중인 상태 = 프로세스가 아직 메모리로 로딩 x

(PCB는 이미 할당받음)

 

2. Ready(준비 상태): CPU를 할당받으면 실행가능

ready에서 running으로 전환되는 것을 디스패치(dispatch)라 한다

※ 디스패쳐(dispatcher): 스위칭해 주는 프로그램

 

3. Running(실행 상태): CPU를 할당받아 실행 중

①  할당된 시간 모두 사용 시(Timer 인터럽트 발생 시) ready 상태로

②  실행 도중 I/O를 사용하면 I/O작업이 끝날 때까지 blocked 상태로

 

4. Blocked/Waiting(대기 상태): 프로세스가 실행 도중 I/O를 사용하는 경우, I/O작업을 기다리는 상태

(CPU를 받아도 실행 못함)

 

5. Exit/Terminated(종료 상태): 프로세스가 종료된 상태

PCB, 프로세스의 메모리 영역 정리

 

<프로세스 상태 다이어그램>

Five-State Process Model

 

<Single Blocked Queue>: 현재 실행될 수 없고, 특정 이벤트(예: I/O 완료, 리소스 접근 가능 등)를 기다리고 있는 모든 프로세스들을 포함하는 큐

※ 큐 안에 프로세스가 있는 게 아니다!

프로세스는 굉장히 크고 메모리에 고정되어 있으며, 큐 안에는 Primary Process Table - 최소한의 정보(PID, process image 포인터 등)이 들어있다

 

<Multiple Blocked Queues>

 

 

 

ㅇ스와핑(Swapping): m.m.에 적재된 process를 HDD에 잠시 적재했다가 필요할 때 다시 꺼내서 사용하는 메모리 교체 기법

(Swapping area는 file영역이 아니다)

 

스와핑이 필요한 이유 2가지

1. I/O 작업속도가 CPU 작업속도에 비해 굉장히 느려서 ready queue가 비어있게 된다

2. 메모리 공간이 한정적이다

 

 

<프로세스 상태 다이어그램> - Suspend State 추가

+ Blocked/Suspend: HDD로 옮겨진 Blocked 상태

+ Ready/Suspend: HDD로 옮겨진 Ready 상태

앞의 상태도에서 2개만 추가됐다

 

What is Process Suspension?

메모리에서 실행하고 있던 프로그램이 아래 5가지의 이유로 HDD의 Swapping area로 쫓겨나가는 상황

1. Swapping: 메모리가 꽉 차서

 

2. Other OS reason

① 데몬은 천천히 실행해도 괜찮아서 suspend 1순위다

② OS는 이상한 행동을 감지하면 일단 suspend 시키고 HDD의 Swapping area로 보낸다

 

3. Interactive user request: 유저가 suspend 시켜달라 요청

e.g. 동기화, 디버깅

 

4. Timing: 실행주기가 있는 데몬은 사용하지 않을 때 Swapping area에 박아둔다

 

5. Parent process request: 부모 process가 suspend 요청

 

 

 

 

ㅁ프로세스 생성과정(Process Creation) - New 상태가 되는 과정

Terminate는 반대로 하면 된다! (PID가 가장 마지막까지 남는다)

 

 

 

 

 

ㅁOS Control Structure - 테이블 4가지

1. Memory Table: m.m. / HDD 어디에 적재되어 있는지에 대한 페이지 테이블

사용할 수 없는 프로세스를 shared memory로부터 보호한다

 

2. I/O Table: 여러 I/O 디바이스들의 state 정보 + m.m. 어느 프로세스 위치로 전달하고 어느 위치로 출력할지

 

3. File Table: File이 HDD 어디에 있는지 + File 크기, 소유주, 권한, open 됐는지, 어디까지 읽었는지/썼는지 등

 

(중요)                                최소한의 정보             대부분의 정보

4. Process Table: Primary Process Table + Process Image

General Structure of Operating System Control Tables

 

ㅇ Primary Process Table: 최소한의 정보 저장

- PID (구조체 배열의 인덱스라 생각하자)

- process image 포인터

- location in memory (메모리 어디에 process가 저장되어 있는지)

 

ㅇProcess Image: 나머지 모든 정보

[사용자 영역]

- 데이터 영역

- 코드 영역

- 스택

- 힙

[커널 영역]

- PCB

 

 

 

 

 

ㅁOS의 실행방식 3가지

1. Non-process Kernel: OS의 전체코드가 메모리에 항상 상주

예전 방식이다(OS의 크기가 매우 작을 때 채택)

Separate Kernel

 

 

 

2. Execution Within User Processes: OS function들을 프로세스 안에서 실행시키는 방식

e.g. UNIX - 속도 중시

OS functions execute within user processes

 

불필요한 스위칭 필요 x -> 실행속도 fast

Process Image: OS Executes Within User Space

 

 

 

3. Process-Based Operating System: OS를 프로세스로 만들어서 다 똑같이 처리

멀티코어 시스템에 적합하다 (각각의 CPU에서 서로 다른 process를 실행)

e.g. Windows - 확장성 good, 수정 용이 / slow

OS functions execute as separate processes

단점: 불필요한 process switching을 할 수가 있다 (아무리 작은 OS 작업이라도 process switching 작업 필요)

 

 

 

 

 

 

 

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(이하 내용은 UNIX 계열을 다루며 Windows 운영체제와는 관련이 없다)

ㅁUNIX 계열의 프로세스 계층 구조: 부모 프로세스 + 자식 프로세스

트리(tree) 구조

 

 

+ 최초의 프로세스: 최초의 프로세스 PID는 항상 1번이다(= 1번 프로세스)

프로세스 계층 구조를 보여주는 명령어: pstree

 

OS별 1번 프로세스 (UNIX와 Linux의 0번 프로세스는 스와핑 작업용)

- UNIX: init

- Linux: systemd

- macos: launched

 

 

 

ㅁUNIX 계열의 프로세스 생성 기법 - fork와 exec로 복제와 옷 갈아입기

- 부모 프로세스: fork()

자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성(복제)

※ PPID: Parent PID

 

"자식 프로세스는 부모 프로세스의 자원들을 상속받는다"

e.g. 메모리 내의 내용, 열린 파일들의 목록 등

 

 

- 자식 프로세스: exec()

자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어씀(옷 갈아입기)

 

 

※ fork와 exec 모두 시스템 콜이다

※ fork를 통해 복사된 자식 프로세스도 fork를 할 수 있다

 

 

 

ㅁUNIX 계열의 프로세스 상태 다이어그램

Ready 상태에서 Running 상태가 되기 위해서는 커널코드를 거쳐야 한다

UNIX Process State Transition Diagram

 

 

Q. 왜 상태도에 Preemptyed 상태에서 Kernel Running 상태를 안 거치고 바로 User Running 상태로 가는 화살표가 있는가?

A. 이미 Kernel Running 상태를 거친 애들이기 때문에 time-out만 아니면 바로 실행될 수가 있다

 

 

 

 

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(+ 추가지식)

IPC(Inter-Process-Communication): 프로세스 간 통신

프로세스 간의 자원을 공유하고 데이터를 주고 받는 것을 말한다

e.g. 파일을 통한 프로세스 간 통신, 전역 변수를 통한 통신, 소켓이나 파이프를 이용한 통신

공유 메모리: 프로세스들이 공유할 수 있는 메모리 영역

 

 

 

 

 

 

참고 및 출처: Operating Systems: Internals and Design Principles(William Stalling), Operating System Concepts(Silberschatz, Abraham), 혼공컴운(강민철)