[OS] 프로세스

이 글은 '그림으로 배우는 구조와 원리 운영체제' 개정3판을 참고하여 작성하였습니다. 첨부된 이미지는 직접 제작했습니다.

목차

1. 프로세스 개념과 상태 변화

• 개념
• 필요자원
• 프로그램과 프로세스 차이
• 관점에 따른 프로세스
• 프로세스 종류
• 프로세스 상태 변화와 상태 정보
• 프로세스 제어 블록
• 프로세스의 문맥 교환

2. 프로세스의 관리

• 프로세스의 구조
• 프로세스의 생성
• 프로세스의 종료
• 프로세스의 제거
• 프로세스의 중단과 재시작
• 프로세스의 우선순위 변경
• 프로세스의 문맥 교환

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1. 프로세스 개념과 상태 변화

개념

프로그램과 프로세스 : 프로그램이 메모리로 적재되면 프로세스가 됨

일반적인 프로세스 정의는 '실행 중인 프로그램'이다. 실행 중이라는 의미는 디스크에 있던 프로그램을 메모리에 적재하여 운영체제의 제어를 받는 상태가 되었다는 것이다. 이는 자신만의 메모리 영역(주소 공간)이 있음을 의미한다. 또한, 프로그램 실행의 인스턴스도된다. 따라서 웹 브라우저 창을 한 개 열면 프로세스 한 개를 생성하고, 웹 브라우저 2개 열면 프로세스 2개를 생성한다.

또한 아래와 같은 다양한 정의도 있다.

• 실행 중인 프로그램
• 비동기적(asynchronous) 행위
• 실행 중인 프로시저
• 실행 중인 프로시저의 제어 추적
• 운영체제에 들어 있는 프로세스 제어 블록(PCB)
• 프로세서에 할당하여 실행할 수 있는 개체 디스패치(dispatch)가 가능한 대상

필요 자원

프로세스가 실행 중인 프로그램이 되려면 프로세서 점유 시간, 메모리, 파일, 입출력장치 같은 자원이 필요한데, 프로세스를 생성하거나 실행할 때 이 자원을 할당한다. 그리고 프로세스는 현재 활동 상태를 나타내는 프로그램 카운터, 프로세서의 현재 활동(레지스터 내용)도 포함한다.

프로그램과 프로세스 차이

프로그램(디스크에 저장되어 있는 일련의 명령어들의 집합)은 컴파일한 코드와 초기화 전역변수, 문자열과 같은 문자열 상수 등 정적 데이터를 포함하는 정적인 개체이다. 반면에 프로세스는 메모리 구조를 이루고, 프로그램 카운터나 레지스터처럼 현재 어떤 자원을 사용하는지 관련 정보가 들어있는 동적인 개체이다.

 

관점에 따른 프로세스

• 사용자 관점의 프로세스
• 시스템 관점의 프로세스

사용자/시스템 관점의 프로세스

사용자 관점에서 프로세스는 주소 공간을 가지고 실행하는 프로그램이고, 시스템 관점에서의 프로세스는 실행 중인 프로그램이다.

• 스택 : 데이터를 일시적으로 저장하는 영역
• 힙 : 코드 영역과는 별도로 유지되는 자유 영역. (동적 할당)
• 데이터 : 프로그램의 가상 주소 공간. 전역변수나 정적변수를 저장하거나 할당하고 실행하기 전에 초기화
• 코드 : 실행 명령을 포함하는 메모리이거나 목적 파일에 있는 프로그램 영역
• 스택과 힙 사이 : 서브루틴을 실행하는 영역으로, 운영체제로 매핑되지 않는다.

실행 순서를 결정하는 스케줄러는 디스크에 저장된 프로그램에 프로세서를 할당해서 장치나 메모리 같은 파일 자원을 참조한다. 그리고 프로세스를 지원하고 협력하여 교착 상태, 보호, 동기화 같은 정보를 교환한다.

 

프로세스 종류

프로세스는 수행하는 역할에 따라

• '시스템(커널) 프로세스'와
• '사용자 프로세스'로 구분하고

병행 수행 방법에 따라

• '독립 프로세스'와
• '협력 프로세스'로 구분한다.

구분	종류	설명
역할	시스템(커널) 프로세스	모든 시스템 메모리와 프로세서의 명령에 액세스할 수 있는 프로세스이다. 프로세스 실행 순서를 제어하거나 다른 사용자 및 커널(운영체제) 영역을 침범하지 못하게 감시하고, 사용자 프로세스를 생성하는 기능을 한다.
	사용자 프로세스	사용자 코드를 수행하는 프로세스이다.
병행 수행 방법	독립 프로세스	다른 프로세스에 영향을 주지 않거나 다른 프로세스의 영향을 받지 않으면서 수행하는 병행 프로세스이다.
	협력 프로세스	다른 프로세스에 영향을 주거나 다른 프로세스에서 영향을 받는 병행 프로세스이다.

 

프로세스 상태 변화와 상태 정보

운영체제는 프로세스의 실행을 제어한다. 그리고 프로세스는 실행하면서 상태가 변하므로 운영체제는 프로세스 제어에 필요한 상태를 점검하고 프로세서를 제어한다. 프로세스의 상태 변화를 알아본 후 프로세스 상태 정보를 저장하는 제어 블록을 살펴본다.

프로세스 상태 변화

운영체제의 종류에 따라 프로세스의 상태를 다르게 표현하기도 하지만, 어느 한순간 대부분의 프로세스가 준비나 대기 상태로 바뀌면서 하나만 실행 상태가 된다는 점이 중요하다.

• 준비 → 실행 : (dispatch)
  
  준비 큐 맨 앞에 있던 프로세스가 프로세서를 점유하는 것을 디스패치라고 한다. 다중 프로그래밍 운영체제에서는 실행 상태인 프로세스가 할당된 시간만큼만 프로세서를 사용하도록 하여 특정 프로세스가 프로세서를 계속 독점하는 것을 방지한다.
  
  
• 실행 → 준비 : (timeout)
  운영체제는 실행 상태의 프로세스가 프로세서를 계속 독점하지 않도록 인터럽트 클록을 두어 프로세스가 할당된 시간 동안만 프로세서를 점유하게 한다. 프로세스가 일정 시간이 지나도, 즉 타임아웃되어도 프로세서를 반환하지 않으면 클록이 인터럽트를 발생시켜 운영체제에서 프로세서 제어권을 부여하는 것이다. 그러면 실행 상태의 프로세서는 준비 상태가 되고, 준비 리스트의 첫 번째 프로세스가 실행 상태가 된다.
  
  
• 실행 → 대기(보류) : (block)
  
  할당된 시간 이전에 실행 상태의 프로세스에 입출력 연산 등이 필요하거나 새로운 자원 요청 등의 문제로 프로세서를 스스로 양도하면 대기 상태가 된다.
• 대기(보류) → 준비 : (wake up)
  
  프로세스는 입출력 작업이 끝나면 깨움(wake up)으로 대기에서 준비 상태가 된다.

프로세스는 시스템에서 준비 → 실행 → 대기 상태로 바뀌면서 실행하고 종료하는데, 시스템을 떠날때까지 이 과정을 반복한다. 프로세스의 상태 변화는 운영체제가 작업 스케줄러와 프로세스 스케줄러 같은 프로세서 스케줄러를 이용하여 관리한다. 작업 스케줄러는 스풀러가 디스크에 저장한 작업 중 실행할 작업을 선정하고 준비 리스트에 삽입하여 다중 프로그래밍의 정도를 결정한다. 그리고 프로세스 스케줄러는 위의 그림과 같이 선정한 작업의 상태를 변화시키며 프로세스의 생성에서 종료까지 과정을 수행한다.

• 스풀러 : 대기열 관리프로그램 또는 인쇄 관리 소프트웨어. 스풀러는 우선 순위를 작업에 할당할 수 있게 하고, 인쇄할 때 사용자에게 알리며, 프린터끼리 서로 작업을 나누는 등의 일을 담당한다.(출처)

실행 상태의 프로세스가 프로세서를 자발적으로 반환하기 전에 할당된 시간이 지나면 이 프로세스는 준비 상태가 된다. 그리고 프로세스를 실행하다 입출력 명령(또는 시간이 많이 필요한 비슷한 요청)이 발생하면 대기 상태가 된다. 대기 상태인 프로세스는 대기 원인을 제거하면 준비 상태로 바뀌고, 디스패처(distatcher)가 준비 상태인 프로세스에 프로세서를 할당하면 다시 실행 상태로 바뀐다. 여기서 디스패처는 아래 그림과 같이 스케줄러가 선택한 프로세스에 프로세서를 할당하는 모듈이다.

프로세스와 디스패처 : 디스패처가 P3 프로세스에 프로세서를 할당하는 예

프로세스 제어 블록(PCB)

PCB는 프로세서를 관리하려고 유지하는 데이터 블록 또는 레코드의 데이터 구조이다. PCB는 아래와 같은 정보들로 이루어져있다.

프로세스 식별자	각 프로세스의 고유 식별자(숫자, 색인 항목)
프로세스 상태	생성, 준비, 실행, 대기, 중단 등 상태 표시
프로그램 카운터	프로세스를 실행하는 다음 명령의 주소 표시
레지스터 저장 영역	누산기, 인덱스 레지스터, 스택 포인터, 범용 레지스터, 조건 코드 등 정보로, 컴퓨터 구조에 따라 수나 형태가 다르다. 인터럽트가 발생하면 프로그램 카운터와 함께 저장하여 재실행할 때 원래대로 복귀할 수 있게 한다.
프로세서 스케줄링 정보	프로세스의 우선순위, 스케줄링 큐의 포인터, 기타 스케줄 매개변수
계정 정보	프로세서 사용 시간, 실제 사용 시간, 사용 상한 시간, 계정 번호, 작업이나 프로세스 번호 등
입출력 상태 정보 메모리 관리 정보 ...	1. 특별한 입출력 요구 프로세스에 할당된 입출력장치, 열린 파일리스트 등 2. 운영체제가 사용하는 메모리 시스템에 따른 상한·하한 레지스터(경계 레지스터), 페이지 테이블이나 세그먼트 테이블 값 등

프로세스가 생성되면 메모리에 프로세스 제어 블록을 생성하고, 프로세스가 실행을 종료하면 해당 프로세스 제어 블록도 삭제한다. 운영체제의 모든 모듈이 프로세스 제어 블록 정보를 읽고 수정할 수 있다.

프로세스의 문맥 교환

인터럽트나 시스템 호출 등으로 실행 중인 프로세스의 제어를 다른 프로세스에 넘겨 실행 상태가 되도록 하는 것을 프로세스 문맥 교환이라고 한다. 프로세스 문맥 교환이 일어나면 프로세서의 레지스터에 있던 내용을 나중에 사용할 수 있도록 저장한다. 프로세스 P1과 P2간의 프로세스 문맥 교환 예는 아래와 같다.

 

프로세스 문맥 교환 예

2. 프로세스의 관리

프로세스의 구조

운영체제는 프로세스에서 생성, 종료, 제거, 중단(서스펜드 suspend), 재시작, 우선순위 변경, 대기, 문맥 교환 등 다양한 작업을 수행할 수 있다. 이는 먼저 프로세스의 구조를 알아야 이해할 수 있다.

프로세스는 실행 중에 프로세스 생성 시스템 호출을 이용해서 새로운 프로세스를 생성할 수 있따. 이때 프로세스 생성 순서를 저장하고 부모-자식 관계를 유지하여 계층적으로 생성한다. 프로세스를 새로 생성하는 프로세스는 부모 프로세서(parent process)이고, 생성되는 프로세스는 자식 프로세스(child process) 또는 서브 프로세스(subprocess)이다. 부모 프로세스는 자식 프로세서를 생성하는 과정을 반복하면서 계층 구조를 형성하는데, 이런 프로세스 계층 구조는 아래와 같다.

유닉스 시스템의 프로세스 계층 구조 예

프로세스의 생성

운영체제나 응용 프로그램에서 요청을 받아 프로세스를 생성하면, 운영체제는 해당 프로세스에서 프로세스 제어 블록을 만들어 주소 공간을 할당한다.

일괄 처리 환경에서는 준비 큐에 작업이 도착할 때 프로세스를 생성하고,
대화형 환경에서는 새로운 사용자가 로그온할 때 프로세스를 생성한다.

프로세스 생성 세부 작업

1. 새로운 프로세스에 프로세스 식별자를 할당
2. 프로세스의 모든 구성 요소를 포함할 수 있는 주소 공간과 프로세스 제어 블록 공간을 할당
3. 프로세스 제어 블록을 초기화. 프로세스 상태, 프로그램 카운터 등 초기화, 자원 요청, 프로세스 제어 정보(우선순위) 등을 포함한다.
4. 링크를 건다(해당 큐에 삽입한다).

프로세스가 작업을 수행하려면 프로세서 점유 시간, 메모리, 파일, 입출력장치 등 자원이 필요하다. 자식 프로세스는 운영체제에서 직접 필요한 자원을 얻거나 부모 프로세스의 자원을 일부 사용할 수 있다. 이때 부모 프로세스는 자식 프로세스가 사용하는 자원을 제한해서 특정 프로세스가 자식 프로세스를 너무 많이 생성하여 시스템에 부담을 주는 것을 막을 수 있다. 프로세스를 생성할 때는 이런 자원 외에도 일부 초기화 데이터를 부모 프로세스에서 자식 프로세스로 전달하기도 한다.

프로세스가 새로운 프로세스를 생성할 때 다음 두 가지 실행이 발생할 수 있다.

• 부모 프로세스와 자식 프로세스를 동시에 실행한다.
• 부모 프로세스는 자식 프로세스를 모두 종료할 때까지 기다린다.

fork 명령어를 사용하는 경우는 크게 두 가지이다.

1. 부모와 동일한 자식을 복제하는 것
2. fork 명령어를 호출한 후 exec 명령어를 연달아 호출하여 자식 프로세스의 주소 공간을 별도 프로그램 주소 공간으로 덮어쓰는 것이다.

유닉스에는 각 프로세스마다 정수로 된 고유한 프로세스 식별자가 있다. fork 명령어로 새로운 프로세스를 생성하면 부모 프로세스의 주소 공간을 복사하여 부모 프로세스와 자식 프로세스의 정보를 쉽게 교환할 수 있다. 부모 프로세스와 자식 프로세스가 fork 명령어를 동시에 수행하여 실행을 계속하면 자식 프로세스는 식별자가 0이 되고, 자식 프로세스의 식별자는 부모 프로세스의 식별자가 된다. 즉, fork 명령어를 실행하면 자식 프로세스에는 0을 반환하지만, 부모 프로세스에는 자식 프로세스의 식별자를 반환한다. 반면 윈도우 NT 계열 이상에서는 부모 프로세스의 주소 공간을 복사하거나 별도의 프로그램을 적재하는(주소 공간에 적재하는 프로그램의 이름을 운영체제에서 지정) 방법을 모두 지원한다.

fork 명령어는 현재 프로세스(부모)를 메모리상에서 복사한 프로세스(자식)를 만들고, 자식은 부모의 변수, 스택, 힙의 내용을 복사하며 PCB도 함께 복사된다.

유닉스 체계에서 init 프로세스가 실행이 되면 init을 fork를 하고 fork된 프로세스를 exec으로 덮어씌우도록 하여 프로세스를 계속 생성하는 방식이라고 볼 수 있다.

[유닉스] fork와 exec

 

프로세스의 종료

프로세스가 마지막 명령을 실행하면 종료하여 운영체제에 프로세스의 삭제를 요청한다.

일괄 처리 환경에서는 작업 종료를 의미하는 신호로 인터럽트를 발생하거나 시스템 호출로 중단 명령을 전달하여 프로세스를 종료한다.
대화형 환경에서는 사용자가 로그오프하거나 터미널을 닫으면 프로세스를 종료한다.

이외에 오류나 abort 명령어로도 프로세스를 종료할 수 있다. abort 명령어는 종료할 프로세스의 부모 프로세스만 호출하는데, 부모가 아닌 다른 프로세스가 임의로 해당 프로세스를 중단할 수 없기 때문이다. 그리고 자식 프로세스는 종료할 때 자신의 식별자를 부모 프로세스에 전달한다.

부모 프로세스를 종료하면 보통 자식 프로세스는 필요치 않으므로 운영체제가 자식 프로세스도 종료하는데, 이를 연속 종료라고 한다.

프로세스를 종료하는 상황

• 정상 종료 : 프로세스가 운영체제의 서비스를 호출할 때
• 시간 초과 : 프로세스가 명시된 전체 시간을 초과하여 실행하거나 명시된 시간을 초과하면서 어떤 이벤트 발생을 기다릴 때
• 실패 : 파일 검색 실패, 입출력이 명시된 횟수를 초과하여 실패할 때
• 산술 오류, 보호 오류, 데이터 오류 등
• 메모리 부족, 액세스 위반 등

유닉스에서는 exit 명령어로 프로세스를 종료하고, 부모 프로세스는  wait 명령어를 사용하여 자식 프로세스의 종료를 기다린다. wait 명령어는 자식 프로세스의 식별자를 부모 프로세스에 돌려주므로 어떤 자식 프로세스를 종료했는지 알려준다.

프로세스의 제거

프로세스 제거는 프로세스를 파괴하는 것이다. 프로세스를 제거하면 사용하던 자원을 시스템에 돌려주고, 해당 프로세스는 시스템 리스트나 테이블에서 사라져 프로세스 제어 블록을 회수한다. 하지만 프로그램은 여전히 디스크에 저장한다. 그리고 자식 프로세스는 부모 프로세스를 제거하면 자동으로 제거된다.

프로세스의 중단과 재시작

앞서 살펴본 프로세스의 준비, 실행, 대기 상태만 이용하면 입출력 동작이 일반 연산보다 느려 시스템이 대부분 유휴 상태이다. 다중 프로그래밍 환경에서도 프로세서의 동작시간이 입출력보다 짧아 프로세스 문맥 교환이 일어난 후에도 기다리게 되므로 대부분 유휴시간이 된다.

시스템 유휴시간 문제는 프로세스 중단(일시정지) 상태를 이용하여 해결할 수 있다. 운영체제는 새로운 프로세스를 생성하여 실행하거나 실행 중인 프로세스를 중단했다가 다시 실행하여 사용할 수 있다. 후자의 방법을 이용하면 시스템 전체의 부하를 증가시키지 않으면서 프로세스에 서비스를 제공할 수 있다. 실행에서 대기가 아닌 중단 상태를 추가하면 특정 이벤트의 발생을 기다리면서 대기 상태가 된다. 그러면 해당 이벤트가 발생할 때 즉시 실행 상태로 바꿀 수 있는 이점이 있다.

다중 프로그래밍에서 중단은 프로세스 입출력 요구 외에 다른 원인으로 프로세스가 실행을 중단한 상태, 즉 자원 부족(대기) 상태를 의미하기도 한다. 물론 중단된 프로세스는 기다리던 이벤트(예 : 입출력 완료 인터럽트 발생)가 발생하면 중단 이전의 상태로 되돌아갈 수 있다. 프로세스를 중단한 원인을 제거하여 다시 실행하는 것을 재시작이라고 한다.

프로세스의 중단과 재시작이 일어나는 상황

• 시스템에 장애가 발생하면, 중단했다가 시스템이 기능을 회복하면 다시 재시작 할 수 있다.
• 프로세스에 의심스러운 부분이 있으면 프로세스를 중단하여 확인한 후 재시작하거나 종료할 수 있다.
• 처리할 작업이 너무 많아 시스템에 부담이 되면(너무 많은 적재) 프로세스 몇 개를 중단했다가 시스템이 정상 상태로 돌아왔을 때 재시작할 수 있다.

대다수 시스템은 프로세스를 실행하기 전에 자원을 할당받고 실행을 시작하지만, 다중 프로그래밍 환경에서는 자원의 이용률과 시스템 효율을 높이려고 자원을 동적으로 할당한다. 이때 자원을 할당받으려고 기다리는 상태가 '대기'이고, 할당받은 자원을 기다리는 상태가 '중단'이다.

대기 상태는 대부분 시간이 지나면 요청한 자원을 사용할 수 있어 준비 상태가 된다. 그러나 하드웨어가 고장 나거나 다른 프로세스가 해당 자원을 반환할 수 없는 상태, 즉 교착 상태가 되면 문제가 발생한다.

프로세스에 중단된 준비 상태와 중단된 대기 상태를 추가하여 상태는 아래와 같다. 

중단과 재시작을 추가한 프로세스의 상태 변화

중단은 프로세스 자신이나 다른 프로세스로 가능한데, 단일 처리 시스템에서는 스스로 중단하는 반면, 다중 처리 시스템에서는 다른 프로세서가 실행 중인 프로세스를 중단할 수 있다. 중단된 프로세스는 다른 프로세서가 재시작하기 전에는 실행할 수 없다.

프로세스의 우선순위 변경

프로세스 스케줄러는 프로세스 제어 블록에 있는 우선순위를 이용하여 준비 리스트의 프로세스를 처리한다. 준비 리스트의 프로세서는 프로세서 중심 프로세스와 입출력 중심 프로세스로 구분할 수 있다. 입출력 중심 프로세스는 속도가 느리면서 빠른 응답을 요구하는 단말기 입출력에 높은 우선순위를 부여하고, 속도가 빠른 디스크 입출력 프로세스에는 낮은 우선수위를 부여한다. 이때 우선순위가 낮은 프로세스에는 시간을 많이 할당하고, 우선순위가 높은 프로세스에는 시간을 적게 할당한다. 따라서 입출력 중심 프로세스는 프로세서를 짧게 자주 사용하도록 하고, 프로세서 중심 프로세스는 프로세서를 길게 사용하되 사용 횟수를 줄여서 균형을 유지할 수 있다.

프로세스의 문맥 교환

현재 실행하는 프로세스와 별도로 외부에서 이벤트(예 : 입출력 동작의 종료)가 일어나면 인터럽트가 발생한다.

• 입출력 인터럽트 : 입출력 동작이 발생했음을 확인하고 이벤트를 기다리는 프로세스를 준비 상태로 바꾼 후 실행할 프로세스를 결정한다.
• 클록 인터럽트 : 현재 실행 중인 프로세스의 할당 시간을 조사하여 실행 중인 프로세스를 준비 상태로 바꾸고, 다른 프로세스를 실행 상태로 바꾼다.

실행 중인 프로세스에 인터럽트가 발생하면 운영체제가 다른 프로세스를 실행 상태로 바꾸고 제어를 넘겨주어 프로세스 문맥 교환이 일어난다. 인터럽트는 인터럽트 처리 루틴을 실행한 후 현재 실행 중인 프로세스를 재실행할 수 있으므로 인터럽트가 곧 프로세스 문맥 교환으로 발전하지는 않는다. 반면에 트랩(trap)은 부적절한 파일 접근이나 현재 실행 중인 프로세스 오류나 예외 상황으로 발생할 수 있다. 시스템에 치명적인 오류인지 판단하여 치명적이면 프로세스를 종료하고 교환한다.

이전 프로세스의 상태 레지스터 내용을 보관하고 다른 프로세서의 레지스터를 적재하여 프로세스를 교환하는데, 이런 일련의 과정을 문맥 교환(context switching)이라고 한다. 문맥 교환은 오버헤드가 발생하는데, 이는 메모리 속도, 레지스터 수, 특수 명령어의 유무에 따라 다르다. 그래서 운영체제를 설계할 때 불필요한 문맥 교환을 줄이는 것으로 주요 목표로 정한다.

문맥 교환이 발생할 때

• 준비 → 실행
• 실행 → 준비
• 실행 → 대기

문맥 교환 예

현재 실행 중인 프로세스 Pj에서 문맥 교환을 요청하면, 우선 사용자 모드에서 커널 모드로 Pj의 제어가 넘어가면서 프로세스 Pj를 종료한다. 그리고 다시 시작 할 수 있도록  Pj의 현재 하드웨어 상태를 PCBj에 저장하고 다음에 실행할 프로세스로 Pk를 선택한다. Pk 정보를 PCBk에서 얻어 와 프로세서에 재저장하고는 사용자 모드로 돌아와서 프로세서 Pk를 실행한다.

문맥 교환은 레지스터 문맥 교환, 작업 문맥 교환, 스레드 문맥 교환, 프로세스 문맥 교환이 가능하다. 프로세스와 운영체제가 문맥의 구성 여부를 결정하므로 운영체제를 설계할 때 주요 관심사는 가능한 한 불필요한 문맥 교환을 줄이는 것이다. 실제로 구현하기가 쉽지 않다. 스레드를 이용하여 문맥 교환을 효율적으로 처리할 수 있다.