[운영체제 02] 프로세스의 개요와 구성

목차

1. 프로세스 개요와 구성
2. 스레드와 스케줄링

프로세스

• 프로세스란 실행중인 프로그램을 의미하고 프로세스는 사용자가 실행시킨 프로그램 뿐만 아니라 스풀링과 같은 시스템 테스크도 각각 하나의 프로세스로 취급한다.
• 프로그램 자체는 디스크 내 파일로 존재하고 동작을 하지 않는 정적이며 수동적인 개체여서, 프로그램을 실행시키려면 운영체제로부터 프로그램이 동장작하는데 필요한 CPU, 메모리, 입출력장치, 파일 등의 자원을 할당받아 동장을 시작해야 한다.

프로세스의 상태 변화

1. 생성상태 -> 준비상태
   • 미리 정의된 정책에 따라 스케줄러에 의해 호출, 이때 메모리의 이용 가능성과 어떤 장치가 요구되는지를 검사한다.
2. 준비상태 -> 실행상태
   • 사전에 정의된 알고리즘(FCFS, SJF, SRT, RR등)에 따라 스케줄러에 의해 처리된다. 이 과정을 디스패치라고 한다.
3. 실행상태 -> 준비상태
   • 할당시간의 만료나 우선순위 알고리즘을 택하고 있는 시스템에서 높은 우선순위의 프로세스가 오는 경우 스케줄러에 의해 처리된다.
4. 실행상태 -> 대기상태
   • READ, WRITE 또는 다른 I/O 요구, 페이지 교환을 요구하는 작업 같은 명령 등에 의하여 일어난다.
   • 이러한 작업은 상대적으로 오랜 시간이 걸리기 때문에 그동안 CPU를 다른 프로세스에 할당하여 활용하기 위함이다.
5. 대기상태 -> 준비상태
   • I/O 장치 관리자의 신호에 의해 일어난다.
   • 페이지 교환의 경우 페이지 인터럽트 핸들러가 메모리에 그 페이지가 있다는 신호를 보내게 되며, 프로세스는 준비 큐에 놓이게 된다.
6. 실행상태 -> 종료상태
   • 프로세스를 성공적으로 끝마친 경우, 혹은 운영체제가 에러 발생을 감지하고 프로세스를 강제로 종료시킨 경우에 스케줄러에 의해 실행된다.

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

• 프로세스의 관리를 위해 운영체제는 프로세스 제어블록에 정보를 보관한다.

1. 프로세스 상태

• 프로세스의 현재 상태

2. 프로세스 번호(PID)

• 프로세스의 구분 기준이 되는 ID를 나타낸다.

3. 프로그램 카운터(PC)

• 프로세스 수행을 위한 다음 명령의 주소를 표시한다.

4. 레지스터(register)

• 실행상태에서 다른 상태로 전이되는 경우 CPU의 레지스터 정보를 이곳에 저장시켜서 나중에 다시 실행상태로 전이될 때 복구 시켜 프로세스의 정확한 수행을 이어나간다.

5. 메모리

• 프로세스가 저장된 주소와 가상 메모리를 사용하는 경우에는 가상주소와 실제주소의 사상(mapping) 정보, 기준 레지스터(base register)와 경계 레지스터(bound register) 등의 정보를 포함한다.

6. 프로세스 우선순위

• 시스템에 의해 이용, 스케줄링 시 어떤 작업을 선택할 것인가를 결정

7. 회계정보

• 성능 측정과 순위에 대한 목적을 위한 정보이다.
• CPU 사용시간, 프로세스의 시스템 존재 시간, 메모리 사용량, 보조기억장치 사용량, 그리고 기타 시스템 프로그램의 사용 실태 등의 다양한 정보를 포함한다.

프로세스의 생성과 종료

1. 프로세스 생성

• 부모 프로세스는 실행과정 동안 프로세스 생성 시스템의 호출을 이용하여 여러개의 자식 프로세스를 생성한다.
• 프로세스 생성과 관련된 작업인 프로세스의 이름을 결정하고 프로세스 준비 큐에 삽입하여 프로세스에 초기 우선순위를 부여하고 프로세스에 대한 플세스 제어 블록을 만든다.
• 프로세스는 작업을 수행하기 위해 자원이 필요한데 자식 프로세스가 생성되면 운영체제로부터 직접 자원을 얻거나 부모 프로세스 자원의 일부를 얻는다.(과도한 서브 프로세스 생성으로 인한 과부하 방지)
• 프로세스 생성시 물리적, 논리적 자원을 얻는 것 이외에도 몇몇 초기화 데이터가 부모에 의해 자식 프로세스로 전달된다.

2. 프로세스 종료

• 프로세스는 마지막 문장이 실행을 마쳤을 때 종료된다. 이때 프로세스는 부모 프로세스에게 실행결과를 되돌려 준다.
• 부모 프로세스가 자식 프로세스 실행 종료시킬 수 있는 경우 a) 자식 프로세스가 할당된 자원의 사용을 초과했을 경우
  => 이는 부모 프로세스가 자식 프로세스 상태를 조사할 수 있는 메커니즘이 필요하다. b) 자식 프로세스에게 할당된 작업이 더 이상 필요하지 않은 경우

프로세스 간의 관계

1. 독립적 프로세스

• 시스템에서 실행중인 다른 프로세스의 영향을 받지도 주지도 않는 프로세스를 의미한다.
• 프로세스 상태는 다른 프로세스와 공유되지 않는다.
• 프로세스 실행은 결정적(deterministic)이다. 즉, 실행결과는 입력상태에 의해서만 결정된다.
• 프로세스의 실행은 재생가능(reproducible)하다. 즉, 실행결과는 같은 입력에 대하여 항상 동일하다.
• 프로세스 실행은 타 프로세스와 무관하게 중단되거나 재시작될 수 있다.

2. 유기적 프로세스

• 시스템에서 실행중인 다른 프로세스의 영향을 주고 받으며 동작하는 프로세스를 의미한다.
• 프로세스의 상태는 다른 프로세스와 공유된다.
• 프로세스의 실행은 비결정적(nondeterministic)이다. 즉, 실행결과는 실행순서에 좌우되기 땨문에 미리 예측할 수 없다.
• 프로세스의 실행은 재생 불가능(irreproducible)하다. 즉, 실행결과는 동일한 입력에 대하여 항상 동일하지는 않는다.

스레드(Thread)

• 스레드는 프로세스 내에서의 다중처리를 위하여 제안된 개념으로 실행 단위를 프로세스에서 한 단계 낮추어 규정한 것이다. 일반적으로 다중 프로세싱 시스템에서 기본적인 처리단위는 프로세스이다.

스레드는 제어의 흐름을 의미하며 프로세스에서 실행의 개념만을 분리한 것으로 실행에 필요한 최소한의 정보만을 가지고 프로그램 수행 시 자신이 속해있는 프로세스의 실행환경을 공유한다. 대부분의 기존 프로그램은 하나의 프로세스가 하나의 스레드를 갖는 형태이나 처리효율을 극대화하는 방법으로 프로세스 내에서의 병렬적 수행을 위하여 다중 스레딩을 이용한다.

스케줄링

스케줄링 단계

1. 상위단계 스케줄링

• 시스템에 들어오는 작업들을 선택하여 프로세스를 생성한 후 프로세스 준비 큐에 전달하는 역할이다.
• 이때 선택 기준은 시스템의 자원을 효율적으로 이용할 수 있도록 하는 것으로, 보통 입출력 중심 작업과 연산 중심 작업을 균형있게 선택하도록 작업 순서를 결정한다.

2. 하위단계 스케줄링

• 사용 가능한 CPU를 준비상태의 어느 프로세스에 배당할지를 결정하는 것이다. 이 결정을 통하여 CPU를 배당받은 프로세스는 결국 실행상태가 되면서 프로세스가 처리된다.
• 이 결정을 통하여 CPU를 배당받은 프로세스는 결국 실행상태가 되어 처리되는데 이를 디스패처라고 한다.

3. 중간단계 스케줄링

• 프로세스를 일시적으로 메모리에서 제거하여 중지시키거나 다시 활성화시켜서 시스템에 대한 단기적인 부하를 조절한다.
• 시스템 과부하가 되는 경우 어떤 프로세스를 메모리에서 제거해야 부하가 줄어들지를 결정하고 실제 중지를 실행하여 최고의 성능을 유지한다.

스케줄링 정책

• 운영체제가 프로세스를 스케줄링할 때 고려하는 기본적인 목표 두가지는 ‘공정성’과 ‘균형’이다. a) 공정성 : 모든 프로세스가 적정 수준에서 CPU 작업을 할 수 있게 하는 것 B) 균형 : 시스템의 자원들을 충분히 활용하는 것

• 이외에도 일괄처리 운영체제는 처리량 극대화, 반환시간 최소화, CPU 활용의 극대화를 스케줄링 목표로 한다.
• 대화형 운영체제는 빠른 응답시간과 과다한 대기시간 방지를 목표로 한다.

1. 선점 스케줄링 정책

• 진행중인 작업에 인터럽트를 걸고 다른 작업에 CPU를 할당하는 스케줄링 전략
• 시간 할당 방식에서 주로 사용한다.
• 높은 우선순위의 프로세스가 긴급할 경우에 유용하다.
• 단점은 경비가 많이 들고 오버헤드를 초래한다. 또한 문맥교화의 문제가 발생한다.

※ 문맥교환(context switching)

• 문맥 교환이란 CPU가 현재 실행하고 있는 프로세스의 문맥(상태)을 프로세스 제어 블록(PCB)에 저장하고, 다음 프로세스의 PCB로부터 문맥을 복원하는 작업이다.
• CPU의 모든 레스스터와 기타 운영체제에 따라 요구되는 프로세스의 상태를 문맥(context)이라고 부르는데, 프로세스가 종료되지 않은 상태에서 선점 스케줄링 정책에 따라 CPU가 다른 프로세스에 할당되려면 문맥 교환이 필요하다.

2. 비선점 스케줄링 정책

• 프로세스가 CPU를 할당받아 실행이 시작되면 프로세스 자체가 I/O 인터럽트를 걸거나 프로세스를 종료할 때까지 실행상태에 있는다.
• 비선점 스케줄링은 우선순위와 관계없이 모든 프로세스가 공정하게 순서에 따라 실행되도록 관리된다.