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[OS] 프로세스 (Process)

William Stallings의 『Operating Systems, Internals and Design Principles (9th Ed.)』 을 토대로 작성하였음.


👑 프로세스란?

Process 란 실행 중인 프로그램을 말한다.

프로그램이 실행되면, 메인 메모리에 실행할 데이터가 올라가고, CPU가 한 줄씩 실행시키는데,

이 때 메모리에 올려진 상태이면 프로세스라고 할 수 있는 것이다.

프로세스는 운영체제로부터 여러 자원을 할당받으며, 여러가지 상태를 가진다.


💡 Process States

보통 메인 메모리에는 수 많은 프로세스들이 올라가 있다. 그렇다면 컴퓨터는 어떤

프로세스가 실행될 것인지 알 수 있을까?

운영체제는 이를 위해 Dispatcher 라는 커널 함수를 제공하는데, dispatcher는

실행될 프로세스에게 CPU를 할당하고, 프로세스가 실행되도록 준비해주는 역할을 한다.

process_states


💡 프로세스의 생성/종료

프로세스의 생성

  • 서비스 제공을 위한 OS로부터의 생성

  • 부모 프로세스로부터의 생성

    부모 프로세스가 OS에게 자식 프로세스를 만들어달라는 요청을 할 수 있고, 이를 통해 프로세스가 생성된다.

  • 사용자의 command에 의한 생성

    OS에게 요청을 하여 foreground / background 상태로 프로그램을 실행시킬 수 있다.


프로세스의 종료

  • Normal completion

    프로세스는 OS system call인 exit을 호출하여 실행이 끝났음을 알릴 수 있다.

  • Parent request

    부모 프로세스가 OS에게 자식 프로세스를 종료시켜달라고 요청할 수 있다.

  • Protection error

    프로세스가 허용되지 않은 파일 리소스에 접근하거나, 허용되지 않은 메모리 공간에 접근할 경우 비정상적으로 종료된다.

  • Arithmetic error, I/O failure, Invalid instruction 등

    0으로 나누는 등의 금지된 계산이나, 입출력 실패 등의 경우에 비정상적으로 종료된다.


💡 Process Model

image

프로세스의 상태는 크게 5가지로 나눌 수 있다. ( + two suspended state)

  • New

    • 프로그램이 실행되면, 프로세스는 job queue(= process list)에 놓여진다.

  • Ready

    • 실행을 기다리는 상태, 프로세스가 ready queue로 들어간다.
    • 프로세서의 dispatch가 CPU를 할당해주기를 기다리는 상태이다.
    • 이 때, ready queue 에 있던 프로세스들은 단지 queue에 가장 오래 있었다는
      이유로, dispatcher에게 선택받지 않는다.

  • Block

    • 어떠한 event가 발생하기를 기다리는 상태이다. (e.g. `I/O completion)
    • wait state, sleep state 라고도 불린다.
    • ready 와 마찬가지로 block queue 라는 것이 존재하며, 각 event 마다의 queue가 존재한다.

image

  • Suspended process

    suspended process 란 main memory에 존재하다가 보조 기억 장치로 옮겨진 프로세스를 말한다.

    프로세스는 다양한 이유로 suspended state 가 될 수 있다.

    • 자원 절약

      main memory의 공간은 한정되어 있으며, OS는 실행할 준비가 된 프로세스를 위해
      충분한 메모리 공간을 확보해야 한다. suspended 상태의 프로세스는 시스템 리소스를
      소비하지 않기 때문에 자원을 확보할 수 있다.

    • Timing

      주기적으로 실행되는 프로세스의 경우 다음 실행까지 메모리에 위치하게 된다면
      메모리 공간 확보에 있어 비효율적일 것이다. 따라서 해당 프로세스가 실행될
      타이밍이 아닌 경우 suspended 상태로 만들어 메모리 공간을 관리한다.

    • User request

      사용자는 프로그램의 실행을 멈춰 debugging과 분석 목적으로 suspended 상태를 사용할 수 있다.

    이 외에도 suspended state 가 되는 다양한 이유들이 존재한다.

    Two suspended state

    • suspended block : 보조 기억 장치에서의 block state
    • suspended ready : 보조 기억 장치에서의 ready state


👑 PCB (Process Control Block)

PCB (Process Control Block) 이란 process의 정보를 담고 있는, OS가

프로세스를 제어하기 위해 사용되는 자료구조이다. 각각의 프로세스와 자원들의

현재 상태에 대한 정보를 담고 있으며, process 마다 하나의 PCB를 가지고,

각각은 OS에 의해 생성/관리 된다.

PCB 가 담고 있는 정보들은 다음과 같다.

  • Identifier
  • State
  • Priority
  • Program counter(PC)
  • Memory pointers
  • Context data
  • I/O status information
  • Accounting information
  • ···





위에서 프로그램이 실행되면 프로세스는 process list에 들어간다고 했다.

process list는 double linked list 로 프로세스들을 연결하고 있으며,

리스트 안에서 ready 상태인 리스트들을 연결함으로써 Ready queue가 만들어진다.

<Linux process list>


  • Process Identifier

    프로세스 자신의 식별자와 부모 프로세스의 식별자, 사용자 식별자를 저장한다.

  • Processor State Information

    프로세스의 상태 (e.g. ready, running …)를 담고 있다.

    범용 레지스터, stack pointer, PC와 같은 CPU Register 정보를 가지고 있다.

  • Process Control Information

    • Scheduling

      OS의 scheduling function을 수행하기 위해 priority 정보가 필요하다.
      process의 wait 시간, CPU 점유 시간 등의 정보를 담고 있다.


👑 Process Context

현대의 Time sharing system 에서는 여러 프로세스가 짧은 time slice 동안 CPU를

점유하고, 다른 프로세스에게 CPU 를 넘기며 실행된다. 그러다 다시 CPU를 점유하게

되었을 때, 이전에 어느 부분까지 명령을 실행했는지에 대한 정보와 관련 구성 요소들을

파악해야만 한다. 이때의 정보와 관련 구성 요소들을 process context라 한다.

Process Context 란 프로세스가 실행되는 데 필요한 정보와 구성요소들의 집합을 의미하며,

User context와 System context로 구분된다.

  • User Context

    • code : 사용자에 의한 프로그램 코드
    • data : 프로세스의 전역 변수 (global variable)
    • User stack : 지역 변수, 함수 인자 등

  • System Context

    • Kernel stack (system stack) : 커널 함수의 인자, 레지스터, 지역 변수 등을 저장
    • PCB (Process Control Block) : 프로세스의 정보를 저장하는 자료구조


👑 Execution mode

CPU는 운영 체제의 지시에 따라 user mode 와 system mode 간을 전환하여,

프로세스 간의 안전한 실행과 시스템 자원의 효율적 관리를 가능하게 한다.

  • User mode

    • Less-privileged mode
    • 일반 응용 프로그램이나 사용자 작업이 실행되는 모드

  • System mode (= kernel mode, supervisor mode)

    • More-privileged mode
    • 커널 또는 OS의 핵심 기능들이 실행되는 모드
    • 시스템 자원에 직접 접근할 수 있으며, 시스템 전반의 제어를 담당한다.


Mode change

Mode change 란 프로세서가 현재 실행 중인 모드를 변경하는 것을 의미한다.

mode change는 일반적으로 두 가지 상황에서 발생한다.

  • System call

    사용자 모드에서 실행 중인 프로세스가 운영 체제의 서비스를 요청할 때 발생한다.

    사용자 프로세스가 운영 체제의 기능을 사용하기 위해서 system call을 사용하는데,

    이때 CPU는 user mode 에서 system mode로 전환된다.

  • Interrupt

    하드웨어 이벤트 혹은 소프트웨어에서 발생하는 예외 등이 발생할 때 일어난다.

    예를 들어, time sharing 에서의 clock interrupt, I/O 등이 있다.

    이러한 인터럽트는 OS에게 특정 이벤트가 발생함을 알리고, 처리를 요구한다.

    CPU는 현재 실행 중인 작업을 일시 중단하고, ISR (Interrupt Service Routine)

    을 실행하기 위해 system mode로 전환한다.


👑 Process Creation

OS는 부모 프로세스, 사용자, 혹은 OS의 요청으로 인해 새로운 프로세스를

생성할 수 있다. 프로세스 생성은 다음과 같은 단계로 이루어진다.

  1. 새 프로세스를 위한 PCB 생성

  2. 자식 프로세스에게 고유 프로세스 식별자(PID) 할당

  3. PCB 값 설정

  4. 새로운 프로세스를 부모, 형제 프로세스와 연결하는 적절한 링크 설정

  5. 기타 데이터 구조 생성 또는 확장

  6. 부모 프로세스의 user context를 복사하여 user context 생성

  7. 프로세스를 ready state로 설정 및 ready queue에 삽입

  8. 부모 프로세스에게 자식 프로세스의 PID 반환, 자식 프로세스에게는 0 반환


💡 COW (Copy and Write)

  • COW mechanism 은 메모리를 공유하는 프로세스들 사이에서 발생하는

    데이터 복사를 최소화하기 위한 기술이다.

  • 프로세스 생성 시에 새로운 프로세스는 부모 프로세스와 메모리를 공유한다.

    fork() system call을 통해 생성된 자식 프로세스는 처음에는 부모 프로세스와

    같은 물리적인 메모리 페이지를 공유한다. (실제 데이터의 복사 X)

  • 같은 메모리 페이지를 공유하다가 자식 프로세스가 메모리 페이지를 수정하려 할 때,

    해당 페이지를 복사하여 새로운 페이지를 할당하고, 메모리 공간이 분리되어

    서로에게 영향을 주지 않게 된다.


👑 Context Switch

Context switch는 OS가 여러 프로세스를 동시에 실행하는 다중 작업 환경에서

발생하는 중요한 개념이다. 현재 실행 중인 프로세스의 상태를 저장하고, 다음에

실행할 프로세스의 상태를 로드하여 CPU의 제어를 전환하는 과정을 의미한다.


💡 When to switch a process

  • 프로세스의 종료

    에러나 예외가 발생하여 비정상적으로 종료되거나, 정상적으로 종료될 때 발생한다.
    이 경우 해당 프로세스는 terminated 상태로 전환되고, 새 프로세스가 dispatch 된다.

  • 블로킹 시스템 호출

    I/O request 등과 같은 system call과 page fault 로 인해 발생 가능하다.

  • Time slice

    Time sharing 방식으로 인한 clock interrupt 발생으로 인해 context switch가 발생한다.

  • I/O Interrupt

    입출력 작업 완료 시 프로세스는 block 상태에서 ready 상태로 전환된다.
    이후에 ready 상태가 된 프로세스는 CPU를 할당받을 수 있다.


💡 Step of Context Switch

  1. 현재 프로세스 상태 저장

현재 실행 중인 프로세스의 레지스터 상태, PCB 정보, 스택 및 메모리 상태 등의

정보를 저장한다. 이 정보는 이전 상태로 복원될 때 계속 실행될 수 있도록 보존된다.

  1. 다음 프로세스 선택

scheduler가 다음에 실행할 프로세스를 선택한다.

  1. 다음 프로세스 상태 로드

선택된 다음 프로세스의 레지스터 상태, PCB 정보, 스택 및 메모리 상태 등을

CPU에 로드함으로써 다음 프로세스가 실행될 준비가 되도록 한다.

  1. 다음 프로세스 실행

CPU가 선택된 다음 프로세스의 코드를 실행한다.


💡 Mode Change VS Context Switch

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