[운영체제] 프로세스

본 게시글은 KOCW 이화여자대학교 반효경 교수님의 <운영체제> 강의를 듣고 정리한 내용입니다.
게시글에 포함되는 이미지 자료 또한 해당 강의에 포함된 강의 자료입니다.

프로세스란?

프로세스는 실행 중인 프로그램입니다.

PCB (Process Control Block)

PCB는 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보입니다.

운영체제는 프로세스 당 PCB를 하나씩 두고(커널 영역에 생성) 이를 이용해 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 프로세스에 CPU를 비롯한 자원을 배분합니다.

 

PCB의 구성

PCB에는 어떤 정보들이 담길까요? PCB의 구성은 위의 그림과 같습니다.

 

(1) OS가 관리상 사용하는 정보

- Process ID(=PID): 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호

- Process state: 프로세스의 상태 정보(현재 프로세스가 CPU를 사용 중인지, 기다리고 있는 상태인지 등)

- CPU 스케줄링 정보, priority: 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보)

 

(2) CPU 수행 관련 하드웨어 값

- Program Counter

- registers

 

(3) 메모리 관련

- code, data, stack의 위치 정보

 

(4) 파일 관련

- 사용한 파일 정보

- 입출력 장치 목록

프로세스의 문맥 

프로세스의 문맥(context)이란 프로세스의 현재 상태를 나타내는 데 필요한 정보입니다.

프로그램의 실행이 끝날 때까지 CPU 제어권을 가지고 있을 수 있다는 보장이 없기 때문에 CPU 제어권을 빼앗겼다 다시 얻었을 때 이전에 실행하던 내용에 이어 다시 실행을 재개하기 위해서는 문맥이라는 중간 정보를 알아야합니다.

 

프로세스 문맥

프로세스의 문맥은 크게 세 가지 정도로 나누어 설명할 수 있습니다.

 

(1) CPU의 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥

- Program Counter (PC): 실행 중인 프로세스의 코드 영역을 가리키고 있음.

- 각종 register

 

현재시점에 프로세스가 instruction을 어디까지 실행했는지를 알기 위해서는 레지스터에 어떤 값을 넣고 있었고,

Program Counter(PC)가 어디를 가리키고 있었는지를 알아야 합니다.

 

(2) 프로세스의 주소 공간

- code, data, stack

 

현재 시점에 프로세스의 메모리 주소 공간에 어떤 내용이 들어있는지를 알아야 합니다.

 

(3) 프로세스 관련 커널 자료 구조 (커널에서 프로세스를 관리하기 위해 가지고 있는 정보)

- PCB (Process Control Block)

- Kernel stack

 

운영체제는 프로세스 하나 당 PCB를 하나씩 두고 이를 통해 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 프로세스에 CPU를 비롯한 자원을 배분합니다. 또한, 시스템 콜이 일어나게 될 경우 Program Counter가 커널 주소공간 어딘가를 가리키게 되고, 커널의 코드를 실행하게 됩니다. 시스템 콜을 통해 커널의 함수 호출이 일어나게 되면 커널 스택에 관련 정보 쌓아 놓게 되는데, 커널의 코드는 공유되는 코드이기 때문에 함수 호출 시 프로세스 별로 별도의 스택을 두게 되기 때문에 kernel stack에 대한 정보 또한 필요합니다.

문맥 교환 (Context Switching)

위에서 프로세스의 중간 정보, 즉 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보를 문맥(context)이라고 설명했습니다.

실행 문맥을 잘 기억해 두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있기 때문에 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 시간이 다 되거나 예기치 못한 상황이 발생하여 인터럽트가 발생하면 운영체제는 해당 프로세스의 PCB에 문맥을 백업합니다. 그리고 뒤이어 실행할 프로세스의 문맥을 복구합니다. 이러한 과정으로 실행되는 프로세스가 바뀌게 되는 것인데, 이처럼 기존 프로세스의 문맥을 PCB에 백업하고 새로운 프로세스를 실행하기 위해 문맥을 PCB로부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것을 문맥 교환(context switching)이라고 합니다.

 

문맥 교환 과정

문맥 교환(context switching): CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 넘겨주는 과정

 

문맥 교환 시 운영체제가 수행하는 작업

- CPU를 내어주는 프로세스의 상태를 해당 프로세스의 PCB에 저장

- CPU를 새롭게 얻는 프로세스의 상태를 PCB에서 읽어옴

 

시스템 콜이나 인터럽트 발생 시 반드시 문맥 교환이 일어나는 것은 아닙니다!

위의 그림에서 (1), (2)의 경우 모두 시스템 콜이나 인터럽트로 인해 유저 모드에서 커널 모드로 전환되지만 (1)은 문맥 교환이 일어나지 않고 유저 모드로 복귀되고, (2)의 경우만 문맥 교환이 일어나게 됩니다.

왜냐하면, 커널 모드로 전환되었다고 해서 CPU 제어권이 다른 프로세스로 넘어가는 것은 아니기 때문입니다.

(1)의 경우 시스템 콜이 일어나 OS 커널 코드가 실행되고 난 후 다시 CPU 제어권이 프로세스 A에게로 돌아간 경우이고, (2)의 경우는 타이머 인터럽트와 같은 경우로 커널 모드로 전환된 후 OS에서 다른 사용자 프로세스로 CPU 제어권이 넘어간 경우입니다.