[OS] 프로세스(1) - Process Concept

Process Concept

• 운영체제가 실행하는 프로그램?
  • Batch system : 작업(job) 단위로 프로그램을 실행한다.
  • Time-shared system : 여러 사용자 프로그램(Task)을 동시에 실행한다.

즉, 운영체제는 여러 개의 프로그램을 다양한 방식으로 실행하고 관리하는 역할을 한다.

• 프로그램(Program)이란?
  • 디스크에 저장된 정적인 코드 집합
  • 예: .exe, .out, .sh 같은 실행 파일을 의미한다.
  • 수동적인 존재이며, 실행되지 않으면 아무 일도 하지 않는다.

프로그램은 단지 명령어의 집합일 뿐이며, 메모리에 올라가서 실행되기 전까지는 프로세스가 아니다.

• 프로세스(Process)란?
  • 실행 중인 프로그램을 의미한다.
  • 즉, 프로그램의 인스턴스가 메모리에 올라가서 실행되고 있는 상태
  • 운영체제가 해당 프로세스를 관리하며 필요한 리소스를 할당한다.
• UNIX 프로세스의 특징
  • 활성 상태(Active Entity):
    • Program Counter(PC) : 다음 실행할 명령어의 주소를 가리킨다.
    • 자원(Resource) : 메모리, 파일, 소켓, 프로세서 시간 등 할당된다.
  • 프로세스는 다음과 같은 정보로 구성된다. :
    • 가상 주소 공간(Virtual Address Space) : 코드, 데이터, 힙, 스택 등 포함
    • 제어 정보(Control Information) : 프로세스의 상태, 레지스터 값, 스케줄링 정보 등이 PCB(Process Control Block)에 저장된다.

프로세스는 OS가 직접 관리하는 실행 단위이며, 운영체제는 수많은 프로세스들을 동시에 다루고 있다.

프로세스 실행

프로세스 상태

프로세스 실행 중에 상태(state)가 변한다. 운영체제는 각 상태에서 어떤 작업을 하고 있는지를 구분해서 효율적인 CPU 관리와 자원 스케줄링을 한다.

• New : 프로세스가 생성 중인 초기 상태(아직 준비되지 않음)
• Ready : 실행할 준비가 된 상태, CPU 할당 대기 중
• Running : CPU에서 명령어 실행 중인 상태
• Waiting(Blocked) : 입출력 등 특정 이벤트 대기 중(예: 파일 읽기, 사용자 입력 등)
• Terminated : 실행 완료 or 오류 발생으로 종료된 상태

Time Slice(타임 슬라이스)

• Time Slice는 하나의 프로세스가 CPU를 연속으로 사용할 수 있는 시간 제한이다.
• 시간 단위 보통 수 밀리초 (에: 10ms, 50ms 등).
• 타임 슬라이스가 끝나면 강제로 CPU를 반환하고 Ready 상태로 돌아간다.

이 메커니즘 덕분에 여러 프로세스가 공정하게 CPU를 나눠 쓰며, 한 프로세스가 독점하지 못하게 된다.

Waiting -> Running ?

• 입출력 등으로 인해 Waiting 상태에 있던 프로세스가 다시 이벤트(예: I/O 완료)받고 깨어날 경우, 운영체제는 해당 프로세스를 Ready 상태로 되돌린다. 즉 바로 Running으로 올리지 않는다.
• 바로 Running으로 올리지 않는 이유는 Ready Queue에 이미 있는 프로세스들보다 먼저 CPU를 점유하면 비공정한 스케줄링이 되기 때문이다. Time Slice를 건너뛰고 CPU를 독점하는 것을 방지하기 위함이다.

CPU Idle

Idle 상태란, CPU가 현재 수행할 작업(프로세스)이 없어 놀고 있는 상태를 말한다. 즉, 운영체제가 스케줄링 가능한 Ready 상태의 프로세스를 하나도 갖고 있지 않을 때, CPU는 어떤 명령어도 실행하지 못하고 대기 상태에 놓인다. 이 상태를 Idle상태라고 한다.

대부분의 OS는 특별한 idle 프로세스를 준비한다. 이 프로세스는 CPU가 놀고 있을 때 실행되며 무의미한 루프 혹은 저전력 상태 진입을 수행한다. 예시로 리눅스 커널은 PID 0번을 idle task로 사용한다.

PCB(Process Control Block)

PCB는 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 데이터 구조로, 하나의 프로세스마다 고유하게 생성되며, 그 프로세스의 모든 중요한 정보를 담고 있다. 운영체제가 스케줄링, 문맥 교환(context switch), 자원 할당 등을 수행할 때 이 PCB 정보를 기반으로 처리한다.

PCB가 담고 있는 정보

• Process State(프로세스 상태) : 프로세스의 현재 상태를 나타냄
• Program Counter(PC) : 다음에 실행할 명령어의 메모리 주소를 나타낸다. 문맥 교환 시 이 값을 저장했다가 복원한다.
• CPU Registers : 실행 중인 프로세스가 사용하는 레지스터 값들
• CPU scheduling information : 프로세스를 언제 실행할지를 결정하기 위한 정보
• Memory Management Informatioin : 이 프로세스가 사용하는 메모리 관련 정보
• Accounting Information : 프로세스의 실행 시간이나 자원 사용량 추적
• I/O Status Information : 해당 프로세스가 사용하는 입출력 장치 상태

프로세스 생성(Process Creation)

• 프로세스 생성의 흐름
  • 운영체제에서 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성 -> 프로세스 트리 형성
  • UNIX 시스템에서는 다음의 시스템 호출로 구현된다.
    • fork() : 부모의 메모리 공간을 복제하여 자식 생성
    • exec() : 자식의 메모리 공간을 새 프로그램으로 교체
• PID(Process ID) : 운영체제는 각 프로세스에 고유한 PID를 부여하여 이를 통해 제어하거나 추적한다.

• 프로세스 계층 구조(Solaris)
  • PID 0 : sched(swapper)
    • 커널에서 최초로 동작하는 프로세스, 커널의 일부로 디스크에 존재하지 않는다.
    • 메모리 상주, 프로세스 스케줄링을 담당하며 나머지 커널 스레드들을 직접 생성한다.
  • PID 2,3 : pageout, fsflush(커널 스레드)
    • Pageout : 가상 메모리 시스템에서 페이지가 부족할 때 디스크로 내보내는 역할을 한다. 자주 사용되지 않는 메모리를 스왑 아웃(Swap Out)한다.
    • fsflush : 파일 시스템 캐시를 디스크에 동기화하는 데 사용된다. 버퍼에 저장된 내용을 주기적으로 디스크에 기록한다.(데이터 손실 방지)

      두 프로세스는 커널 수준에서만 동작하며, 사용자 공간에서는 보이지 않거나 ps 명령에서 kthread로 나타난다.

  • PID 1 : init(사용자 공간의 시작점)
    • 사용자 공간에서 최초로 실행되는 프로세스이다.
    • 모든 유저 프로세스들의 부모가된다.
    • Init의 역할
      • 시스템 런레벨 설정
      • 로그인 데몬
      • 서비스 시작
      • 사용자 프로세스 실행
    • 이 이후 실행되는 프로세스들은 init이 생성하는 자식 프로세스들이다.
• 주소 공간 처리 방식
  • 자식은 다음 중 하나를 따른다.
    • 부모 주소 공간의 완전 복제
    • 부모와 주소 공간을 공유
    • 새 프로그램 로딩(exec 계열 함수)
• 자원 공유 방식
  • 부모와 자식 간 자원 공유 수준은 OS 정책에 따라 다르다.
    • 모두 공유
    • 일부 공유
    • 전혀 공유하지 않음

프로세스 종료(Termination)

• 종료 조건
  • 정상 종료(exit 호출)
  • 오류 발생 시 비정상 종료
  • 부모가 자식을 강제 종료(kill, abort 등)
• 좀비 프로세스(zombie)
  • 자식이 종료되었지만, 부모가 wait()로 수거하지 않으면 좀비 상태가 된다.
  • 프로세스 테이블에 일부 정보만 남아 자원 낭비가 발생한다.
• 고아 프로세스(Orphan)
  • 부모가 먼저 종료되면, 자식은 init 프로세스에게 맡겨진다.

협력 프로세스(Cooperating Processes)

• 독립 프로세스 : 다른 프로세스에 영향 없이 실행(자원 미공유)
• 협력 프로세스 : 데이터를 공유하거나 통신하여 동작을 조율한다.
  • 장점 : 정보 공유, 계산 속도 향상, 모듈화된 설계, 사용자 편의성 증대

프로세스 간 통신(IPC: InterProcess Communication)

목적 : 협력 프로세스 간 데이터 전달과 작업 동기화를 위해 사용한다.

• Shared Memory(공유 메모리)
  • 프로세스 간 공통 메모리 영역을 설정하고 해당 공간에 접근하여 통신
  • 빠르지만 접근 순서/타이밍 관리(동기화) 필요
• Message Passing(메시지 전달)
  • send(), receive() 방식으로 데이터를 직접 전달
  • 서로 다른 주소 공간에서도 동작 가능(분산 시스템에 유리)
• Direct 통신 : 송수신 프로세스가 서로의 이름을 알고 직접 메시지를 주고받음
• Indirect 통신 : mailbox를 통해 메시지를 주고 받음, mailbox는 여러 프로세스가 공유 가능하며 메시지를 누가 받을지 명확하지 않을 수 있어 동기화 이슈가 발생한다.

동기화(Synchronization)

공유 자원을 동시에 접근하면 데이터 일관성 문제가 발생하여 동기화가 필요하다.

• Blocking(동기형) : send(), receive()가 상대 작업이 완료될 때까지 대기
• Non-Blocking(비동기형) : send() 후 즉시 리턴, receive()는 메시지 없으면 null 리턴

버퍼링(Buffering)

통신 과정에서 메시지는 버퍼(큐)에 저장되며, 다음과 같은 방식이 존재한다.