[운영체제] 프로세스 / 프로세스의 상태 / 문맥 교환 / PCB

프로세스의 개념

“Process is a program in execution.”

실행 중인 프로그램을 프로세스라고 한다.

 

프로세스의 문맥(Context)

• CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥으로, CPU에서 무엇을, 어떻게, 어디까지 수행했는지를 나타낸다.
  • Program Counter
  • 각종 register
• 프로세스의 주소 공간
  • 프로세스 메모리에 어떤 데이터를 담고 있는지를 나타내는 문맥 요소
  • code, data, stack
• 프로세스 관련 커널 자료 구조
  • PCB
  • kernel stack

 

프로세스 상태(Process State)

프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다.

 

New(생성)

• 프로세스가 생성 중인 상태

Ready(준비)

• CPU를 기다리는 상태 (메모리 등 다른 조건을 모두 만족하고)
• 프로세스가 메모리에 올라와 있는 상태
• 프로세스가 스케줄러에 의해 CPU가 할당되기를 기다리는 상태

Running(실행)

• CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태
• CPU 할당이 끝나는 경우 세 가지
  • timer interrupt에 의해 Ready 상태가 되는 경우
  • I/O 또는 이벤트에 의해 Blocked(waiting) 상태가 되는 경우
  • 일을 마치고 프로세스를 종료하는 상태가 되는 경우(Terminated)

Blocked(wait, sleep, 대기)

• CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태
• 프로세스 자신이 요청한 event(I/O 등)가 즉시 만족되지 않아 이를 기다리는 상태
• 작업이 완료되면 interrupt를 통해 프로세스 상태를 Ready로 변경
• (예) 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우

Terminated(종료)

• 프로세스가 수행(execution)을 마치고 종료 중인 상태

 

💡 프로세스가 종료된 것은 프로세스가 아니다. 본격적인 프로세스 상태가 아직 아닌 경우가 New, 프로세스 종료 전 뒤처리가 남아 있는 경우가 Terminated이다.

프로세스 상태도

 

PCB(Process Control Block)

PCB는 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스 당 유지하는 정보를 나타낸다.

PCB는 운영체제의 커널 주소 공간 중에서 프로세스마다 하나씩 가지고 있다. CPU 내 각각의 프로세스마다 해당 프로세스들의 문맥들을 PCB에 별도로 저장한다.

 

CPU 안에 있는 프로세스 문맥을 커널의 메모리 안에 저장하는 이유는?

• CPU를 할당하고 할당 해지하는 작업을 반복하게 되는데, 프로세스들의 문맥을 어딘가 저장을 해두어야 한다. 다음번에 CPU를 할당했을 때 저장했던 문맥 다음 지점을 실행해야 하기 때문이다. (문맥 교환)

 

PCB 구성 요소(구조체로 유지)

(1) 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 정보

• Process state, Process ID
• Scheduling information, Priority
• 프로세스의 priority를 계산하여 우선순위가 높은 것이 CPU를 할당하는 방법으로도 사용된다.

(2) CPU 수행 관련 하드웨어 값

• Program Counter, registers

(3) 메모리 관련

• code, data, stack의 위치 정보

(4) 파일 관련

• Open file descriptiors…

 

문맥 교환(Context Switch)

문맥 교환은 CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정을 의미한다.

 

수행 과정

CPU가 다른 프로세스에게 넘어갈 때 운영체제는 다음을 수행한다. 다음과 같은 과정을 운영체제가 관리하고 있는 커널 주소 공간의 PCB가 해준다.

• CPU를 내어주는 프로세스의 상태(문맥)를 그 프로세스의 PCB에 저장
• CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태(문맥)를 PCB에서 읽어옴 (문맥 복원)

 

문맥 교환이 아닌 경우

프로세스가 외부로부터 interrupt가 발생하거나, System Call을 통해 커널 함수를 실행했을 때 다시 실행 중이던 프로세스로 복귀하는 과정은 문맥 교환이 일어났다고 하지 않는다.

 

문맥 교환이 일어난 경우

timer interrupt가 발생하거나 I/O 요청 System Call이 발생한 경우에는 CPU가 다른 프로세스에게 넘겨주면서 문맥 교환이 일어난다.

(1)의 경우에도 CPU 수행 정보 Context의 일부를 PCB에 저장해야 하지만, 문맥 교환을 하는 (2)의 경우 그 부담이 훨씬 크다. (오버헤드) 왜냐하면 cache memory를 지워주는 작업을 하기 때문이다.

 

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• 운영체제는 프로세스들을 모두 큐에 넣고 관리한다.
• 프로세스들은 각 큐들을 오가며 수행된다.

 

Job Queue

• 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합

 

Ready Queue

• 준비 큐
• 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합

 

Device Queue

• 입출력장치 대기 큐
• I/O device의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

 

스케줄러(Scheduler)

단기 스케줄러(Short-term scheduler, CPU scheduler)

• 어떤 프로세스를 다음번에 running 시킬 지 결정
• 프로세스에 CPU를 주는 문제
• 충분히 빨라야 한다. (millisecond 단위)
  • CPU는 빠르게 프로세스에 넘어가기 때문에 단기 스케줄러는 자주 호출된다.
  • (예) timer interrupt 한 번 걸릴 때마다 단기 스케줄러가 호출된다.

 

장기 스케줄러(Long-term scheduler, Job scheduler)

• 시작 프로세스 중 어떤 것을 ready queue로 보낼 지 결정
• 프로세스 memory(및 각종 자원)를 주는 문제 (메모리에 올라가는 문제)
  • 프로젝트가 생성되고 new에서 ready 상태로 넘어갈 때 admitted가 일어나는데, 이 역할을 한다.
  • admitted는 프로세스가 시작될 때 메모리에 올라가도록 허락해 주는 역할을 한다.
• degree of Multiprogramming을 제어
  • 메모리에 올라간 프로세스의 개수를 조절하는 역할을 한다.
  • 요즘 장기 스케줄러가 없는데 이를 어떻게 조절할까? → Medium-term scheduler
• time sharing system에는 보통 장기 스케줄러가 없다. (무조건 ready)
  • 요즘 범용 운영체제(리눅스, 윈도우즈 등)에는 장기 스케줄러가 존재하지 않는다.
  • 프로그램이 실행되면 무조건 메모리에 진입 후 곧바로 ready 상태가 된다.

 

중기 스케줄러(Medium-trem scheduler, Swapper)

• 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄
  • 장기 스케줄러가 없기 때문에 시작된 프로그램은 모두 메모리에 올라간다. 이때 메모리의 경합이 심해져 성능이 낮아지는 상황이 생긴다.
  • 이런 상황에서 일부 프로그램에서 쫓아내는 것이 효율적일 수가 있다.
• 프로세스에게서 memory를 뺏는 문제
• degree of Multiprogramming을 제어

 

degree of Multiprogramming란?

• 메모리에 올라간 프로세스의 개수를 의미

 

프로세스 상태 Suspended (Stopped)

• Ready
• Running
• Blocked (wait, sleep)
• Suspended (Stopped)

 

Suspended (Stopped)

• 운영체제에 중기 스케줄러가 들어가면서 추가되는 프로세스 상태
• 중기 스케줄러에 의해 프로세스가 메모리에서 쫓겨난 상태
• 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태
  • 항상 중기 스케줄러에 의해서만 Suspended가 되는 것은 아니지만 Suspended 상태가 되는 상황의 공통점은 외부적인 이유 때문이다.
• (예1) 사용자 프로그램을 일시정지 시킨 경우 (break key)
• (예2) 시스템이 여러 이유로 프로세스를 잠시 중단 시킨 경우 (메모리에 너무 많은 프로세스가 올라와 있을 때)

 

Blocked와 Suspended 차이

• Blocked: 자신이 요청한 event가 만족되면 Ready
• Suspended: 외부에서 resume해주어야 Active (사람이 다시 실행해야 함)

 

Suspended Blocked

Suspended는 메모리를 완전히 빼앗긴 상태이기 때문에 CPU 작업과 같은 컴퓨터 내부 작업이 불가능하다. 하지만 만약에 I/O 작업 도중에 Suspended 상태가 되었을 때는 I/O을 계속 할 수 있다.

 

user mode Running과 kernel mode Running

한 프로세스가 자기 자신의 코드를 수행 중인 상태를 user mode Running이라고 한다.

프로세스가 System Call을 통해 운영체제의 코드가 수행되는 것을 kernel mode Running이라고 한다.

 

kernel mode Running 상태는 메모리를 빼앗겼다고 보는 것 보다는, 프로세스가 여전히 CPU에서 일을 하는 것이라고 간주하는 것이 더 타당하다.

 

이때 주의해야 할 점

• 운영체제가 CPU를 잡고 기계어를 실행하기 때문에 운영체제가 Running되는 것이라고 생각하기 쉽지만 아니다.
• Running-Ready-Blocked 상태들은 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해서 두는 상태이지, 운영체제 본인의 상태를 스스로 표현하는 것이 아니기 때문이다.

 

강의 출처

http://www.kocw.net/home/search/kemView.do?kemId=1226304

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