[ 쉽게 배우는 운영체제 ] 3-1. 프로세스의 개요

프로세스의 개념

프로세스

하나의 작업 단위

실행을 위해 메모리에 올라온 동적인 상태

작성된 작업 절차를 실제로 실행에 옮긴다.

 

프로그램

하드디스크와 같은 저장장치에 저장되어있는 정적인 상태

어떤 작업을 할지 그 절차를 적어놓은 것

---

요리사 모형에의 비유

일괄 작업 시스템

한 번에 하나의 작업만 처리

제공되는 순서가 단순하고, 작업하는 동안 쉬는 시간이 생기며, 하나의 작업이 끝나야 다른 작업을 할 수 있어 작업효율이 떨어진다.

큐로 처리되어 먼저 들어온 작업이 먼저 처리된다.

 

* 큐 queue
주문 목록
먼저 들어온 데이터가 먼저 빠져나가는 구조

* 스택
먼저 들어온 데이터가 마지막에 빠져나가는 구조

시분할 방식

CPU가 시간을 쪼개어 여러 프로세스에 적당히 배분함으로써 동시에 실행하는 것처럼 느껴지고 효율적이다.

실행하던 작업이 오래 걸릴 경우 다른 작업을 대기목록으로 옮김으로써 다른 작업을 할 수 있기 때문에 작업의 효율성이 높아진다.

언제 다시 시작될지 모르거나 중간에 그만둘지 모르는 작업은 보류 목록으로 옮긴다. 

---

프로그램에서 프로세스로의 전환

프로세스는 컴퓨터 시스템의 작업 단위로 태스크 task라고도 부른다.

시분할 방식 시스템에서 프로그램이 프로세스로 전환될 때 운영체제는 프로그램을 메모리의 적당한 위치로 가져온다.

그와 동시에 작업지시서인 프로세스 제어 블록(Process Control Block; PCB)을 만든다.

프로세스 제어 블록에는 프로세스를 처리하는데 필요한 다양한 정보가 들어있고, 프로세스 제어 블록이 없으면 프로그램이 프로세스로 전환되지 못한다.

어떤 프로그램이 프로세스가 되었다는 것은 운영체제로부터 프로세스 제어 블록을 받았다는 의미이다.

 

프로세스 구분자 (Process IDentification; PID)

메모리에는 여러 개의 프로세스가 존재하므로 각 프로세스를 구분하는 프로세스 구분자가 필요하다.

 

메모리 관련 정보

CPU는 실행하려는 프로세스가 메모리의 어디에 저장되어있는지를 알아야 작업을 할 수 있기 때문에 프로세스 제어블록에는 프로세스의 메모리 위치 정보가 담겨있다. 또한 메모리 보호를 위한 경계 레지스터와 한계 레지스터도 포함되어있다. 

 

각종 중간값

프로세스 제어 블록에는 프로세스가 사용했던 중간값이 저장되는데, 시분할 시스템에서는 여러 프로세스가 번갈아가며 실행되기 때문에 각 프로세스는 일정 시간 작업을 한 후 다른 프로세스에 CPU를 넘겨준다.

 

프로세스 제어 블록은 운영체제가 해당 프로세스를 위해 관리하는 데이터 구조이기 때문에 운영체제 영역에 만들어진다.

또한 프로세스가 종료되면 프로세스가 메모리에서 삭제되고 프로세스 제어 블록도 폐기된다.

 

* 프로세스와 프로그램의 관계
프로세스 = 프로그램 + 프로세스 제어 블록
프로그램 = 프로세스 + 프로세스 제어 블록

운영체제도 프로그램이 기 때문에 프로세스 형태로 실행되어야 한다.

대표적으로 부트스트랩이 있는데, 부트스트랩이 많은 운영체제 관련 프로세스를 실행한 후 일반 프로세스가 실행되므로 컴퓨터에는 일반 사용자의 사용자 프로세스 user process와 운영체제의 커널 프로세스 kernel process가 섞여서 실행된다.

---

프로세스의 상태

운영체제에서도 여러 가지 이유로 프로세스 상태가 변화된다.

• 일괄 시스템의 경우 : 프로세스가 생성된 후 CPU를 얻어 실행되고 작업을 마치면 종료된다. 일괄 작업 시스템의 프로세스 상태는 생성 create, 실행 run, 완료 terminate이다.
• 시분할 시스템의 경우 : CPU를 얻어 실행 중인 프로세스가 중간에 다른 프로세스에 CPU를 넘겨주는 일이 빈번하기 때문에 일괄 시스템보다 복잡하다. 운영체제에서도 이제 막 프로세스가 되었거나 CPU를 사용하다가 쫓겨난 프로세스는 준비 상태에서 자기 순서를 기다린다.

프로세스의 네 가지 상태

• 생성 상태 create status : 프로세스가 메모리에 올라와 실행 준비를 완료한 상태이다. 프로세스를 관리하는데 필요한 프로세스 제어 블록이 생성된다.
• 준비 상태 ready status : 생성된 프로세스가 CPU를 얻을 때까지 기다리는 상태이다. CPU가 하나인 컴퓨터에서는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있기 때문에 자기 실행 순서가 될 때까지 준비 상태에서 기다려야 한다.
• 실행 상태 running status : 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나가 CPU를 얻어 실제 작업을 수행하는 상태로 'execute status'라고 표현하기도 한다. 실행 상태에 들어간 프로세스는 일정 시간 동안 CPU를 사용할 권리를 가진다. 주어진 시간을 다 사용하고도 작업이 끝나지 않았다면 프로세스는 준비 상태로 돌아와 다음 차례를 기다린다. 프로세스는 자신의 작업이 끝날 때까지 준비상태와 실행상태를 왔다 갔다 한다.
• 완료 상태 terminate status : 실행 상태의 프로세스가 주어진 시간 동안 작업을 마치면 완료 상태로 진입한다. 완료 상태는 프로세스 제어 블록이 사라진 상태를 의미한다.

•  CPU 스케줄러(CPU schedular)

준비 상태에 있는 여러 프로세스 중 다음에 실행할 프로세스를 선정하는 일을 담당한다.  준비 상태의 맨 앞에서 기다리고 있는 프로세스 제어 블록을 CPU에 전달하여 작업이 이루어지게 한다.

준비 상태의 프로세스 중 하나를 골라 실행 상태로 바꾸는 CPU 스케줄러의 작업을 디스패치 dispatch라고 한다.

CPU 스케줄러는 프로세스의 전 상태, 즉 생성, 준비, 실행, 완료에 관여하여 모든 프로세스의 작업이 원만하게 이루어지도록 관리한다.

 

• 타임 슬라이스 or 타임 퀸텀

CPU 스케줄러에 의해 선택된 프로세스는 실행 상태에서 일정 시간 동안 작업을 하는데, 프로세스에 배당된 작업 시간을 말한다.

 

• 타임아웃 time out

프로세스는 자신에게 주어진 하나의 타임 슬라이스 동안 작업을 끝내지 못하면 다시 준비 상태로 돌아가는 것을 말한다.

 

새로운 프로세스가 실행 상태로 들어오면 CPU는 일정 시간(타임 슬라이스)이 흐른 뒤 알려달라고 클록에 요청한다. 일정 시간이 다 되면 클록은 인터럽트를 사용해 일정 시간이 흘렀다고 CPU에 알려준다.

 

프로세스의 다섯가지 상태

프로세스는 생성, 준비, 실행, 완료의 네 가지 상태만으로 작업을 진행하는데 큰 문제가 없으나 오늘날 운영체제의 효율성을 고려해 대기상태를 더 만들었다.

 

• 대기상태 blocking status

실행상태에 있느 프로세스가 입출력을 요청하면 입출력이 완료될 때까지 기다리는 상태로 'Wait status'라고도 한다.

작업의 효율을 위해 만들어진것으로, 대기 상태의 프로세스는 입출력 장치별로 마련된 큐에서 기다린다.

입출력이 완료되면 인터럽트가 발생하고, 대기상태에 있는 여러 프로세스 중 해당 인터럽트로 깨어날 프로세스를 찾는데 이를 wake up이라고 한다. 

대기 상태의 프로세스는 원래 실행 상태에서 옮겨 왔기 때문에 입출력이 끝나면 실행상태로 돌아가는 것이 맞지만, 그러려면 현재 실행 상태에서 작업 중인 프로세스를 준비상태로 돌려보내야 한다. 두 프로세스의 상태를 변화시켜야 하는 복잡한 상황이므로, 대기 상태에서 입출력이 끝난 프로세스는  실행 상태로 가지 않고 준비 상태로 돌아가 자기 차례를 기다린다. 

 

휴식 상태와 보류 상태

대부분의 프로세스는 생성, 준비, 실행, 대기, 완료 상태로 운영되며 이 다섯 가지 상태를 활성 상태 active status라고 한다. 프로세스의 상태는 활성 상태 외에 다른 상태가 있는데, 다음은 조금 특별한 경우이다.

• 휴식 상태 pause status : 프로세스가 작업을 일시적으로 쉬고 있는 상태이다. (정지; stop).  
• 보류 상태 suspend status : 프로세스가 메모리에서 잠시 쫓겨난 상태로 휴식 상태와 차이가 있다. 일시 정지 상태라고도 불리며 다음과 같은 경우에 보류 상태가 된다.

• 메모리가 꽉 차서 일부 프로세스를 메모리 밖으로 내보낼때
• 프로그램에 오류가 있어서 실행을 미루어야 할 때
• 바이러스와 같이 악의적인 공격을 하는 프로세스라고 판단될 때
• 매우 긴 주기로 반복되는 프로세스라 메모리 밖으로 쫓아내도 큰 문제가 없을 때
• 입출력을 기다리는 프로세스의 입출력이 계속 지연될 때 

보류 상태에 들어가 프로세스는 메모리 밖으로 쫓겨나 메모리에서 쫓겨난 데이터가 임시로 보관되는 곳인 스왑 영역 swap area에 보관된다. 보류 상태는 대기에서 옮겨진 보류 대기 상태 block suspend status와 준비상태에서 옮겨진 보류 준비 상태 ready suspend status로 구분되며, 각 상태에서 재시작하면 원래의 활성 상태로 들어간다. 또한, 보류 대기 상태에서 입출력이 완료되면 활성 상태가 아닌 보류 준비 상태로 옮겨간다.