Operating Systems - 프로세스 관리

프로세스의 개념

프로세스: 수행중인 프로그램
프로세스 문맥(context): 프로세스가 현재 어떤 상태에서 수행되고 있는지를 정확히 규명하기 위해 필요한 정보
프로세스 문맥이 중요한 이유 : 타임 쉐어링, 멀티태스킹 등 프로세스들이 번갈아가며 실행되기 때문에 프로세스의 문맥을 파악하고 있어야 이미 실행되던 프로세스를 처음부터 다시 실행한다던가 하는 문제가 생기지 않는다.

프로세스 문맥을 파악하려면 다음의 3가지 요소를 알아야 한다.

프로그램 카운터가 어디를 가리키고 있는가? (code의 어느 부분까지 실행했는가?)
메모리에 어떤 내용을 담고 있는가?
레지스터에 어떤 값을 넣어두고, 어떤 instruction(프로그램의 기계어를 읽어서 CPU 안으로 불러들임)까지 실행했는가?

프로세스 문맥의 분류

하드웨어 문맥: CPU의 수행상태. 카운터 값, 각종 레지스터에 저장하고 있는 값들
프로세스의 주소 공간: 프로세스는 코드, 데이터, 스택으로 구성되는 자기만의 독자적인 주소 공간을 가지고 있고, 이것이 프로세스의 문맥을 결정짓는 중요한 요소이다.
커널 상의 문맥: 프로그램이 수행되어 프로세스가 되면 프로세스를 관리하기 위한 자료 구조를 유지하게 된다. PCB, 커널 스택이 이에 해당한다.

프로세스의 상태

프로세스는 상태가 변경되며 수행되고, 항상 아래 상태 중 어느 한 상태에 머물러 있게 된다.

실행 상태(running): 프로세스가 CPU를 보유하고 기계어 명령을 실행하고 있는 상태. CPU는 하나 뿐이기 때문에 여러 프로세스가 동시에 실행된다고 해도 실제 실행 상태에 있는 프로세스는 매 시점 하나 뿐이다.
준비 상태(ready): 프로세스가 CPU만 보유하면 당장 명령을 실행할 수 있지만 CPU를 할당받지 못한 상태.
봉쇄 상태(blocked, wait, sleep): 프로세스에게 CPU를 주어도 당장 명령을 실행할 수 없는 상태.
시작 상태(new): 프로세스가 시작되어 각종 자료 구조가 생성되었지만 아직 메모리 획득을 승인받지 못한 상태
완료 상태(terminated): 프로세스가 종료되었으나 운영 체제가 프로세스와 관련된 자료 구조를 완전히 정리하지 못한 상태
중지(stopped, suspended): 중기 스케줄러의 등장으로 추가된 상태. 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태이다.
- 중지 준비(suspended ready): 준비 상태에 있던 프로세스가 중기 스케줄러에 의해 디스크로 스왑 아웃되면 중지 준비 상태가 된다. 외부에서 재개시키지 않는 이상 다시 활성화되지 않는다.
- 중지 봉쇄(suspended block): 봉쇄 상태에 있던 프로세스가 중기 스케줄러에 의해 스왑 아웃된다. 이 상태에서 프로세스가 봉쇄되었던 조건을 만족하면 중지 준비 상태로 바뀐다.
- 봉쇄 상태와 중지 상태의 차이
  - 봉쇄 상태: 자신이 요청한 이벤트가 만족되어야 Ready
  - 중지 상태: 외부에서 resume를 해주어야 Active

프로세스의 상태는 시간의 흐름에 따라 변화한다. 준비 상태에 있는 프로세스들 중에서 CPU를 할당받을 프로세스를 선택한 후 실제로 CPU의 제어권을 넘겨받는 과정을 CPU 디스패치라고 한다.
new -> 메모리 적재 -> ready(in memory) -> CPU 획득(디스패치) -> running -> terminated
타이머 인터럽트가 발생한 경우 원래 진행하던 프로세스의 문맥을 저장하고, ready 상태에 있는 프로세스 중 하나에 새롭게 CPU 제어권을 부여하고 실행한다. 실행시킬 프로세스를 변경하기 위해 원래 수행중이던 프로세스의 문맥을 저장하고, 새로운 프로세스의 문맥을 세팅하는 과정을 문맥 교환(context switch)이라 한다.
new -> 메모리 적재 -> ready(in memory) -> CPU 획득(디스패치) -> running -> 타이머 인터럽트 -> ready

문맥교환

하나의 사용자 프로세스로부터 다른 사용자 프로세스로 CPU의 제어권이 이양되는 과정

문맥 교환의 과정
- 원래 CPU를 보유하고 있던 프로세스가 프로세스 카운터 값 등 프로세스의 문맥을 자신의 PCB에 저장
- 새롭게 CPU를 할당받을 프로세스가 예전에 저장했던 자신의 문맥을 PCB로부터 실제 하드웨어로 복원
- 타이머 인터럽트나 I/O 요청으로 프로그램이 봉쇄 상태인 경우 문맥 교환이 발생하지만 그 밖의 인터럽트나 시스템 콜 발생 시에는 모드 변경만 있다. 프로세스의 실행 모드가 사용자에서 커널로 변경된 것일 뿐, CPU를 점유하는 프로세스가 다른 사용자 프로세스로 변경되는 것이 아니기 때문이다.
- 프로세스 간 문맥 교환이 빈번해지면 오버헤드도 상당히 커진다.
  - 문맥 교환이 발생하지 않는 경우
    user mode(사용자 프로세스 A) -> interrupt or system call -> kernel mode(ISR or system call 함수) -> -> 문맥 교환 없이 user mode 복귀 -> user mode(사용자 프로세스 A)
  - 문맥 교환이 발생하는 경우
    user mode(사용자 프로세스 A) -> timer interrupt or I/O 요청 system call -> kernel mode -> 문맥 교환 발생 -> user mode(사용자 프로세스 B)
I/O 요청이 발생한 경우에도 실행 상태에 있던 프로세스가 봉쇄 상태로 바뀌는 문맥 교환이 발생한다.
new -> 메모리 적재 -> ready(in memory) -> CPU 획득(디스패치) -> running -> I/O 또는 사건 대기 -> waiting(blocked) -> I/O 또는 사건 완료 -> ready

프로세스 제어 블록 (PCB: Process Control Block)

운영 체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스당 유지하는 정보를 담는 커널 내의 자료 구조

1. OS가 사용하는 정보	pointer	process state
	process number
2. CPU 수행 관련 하드웨어 값	process counter
	registers
3. 메모리 관련	memory limits
4. 파일 관련	open files
	...

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

프로세스는 각 큐를 오가며 수행한다.

작업 큐(job queue): 시스템 내 모든 프로세스를 관리하기 위한 큐. 프로세스 상태와 무관하게 모든 프로세스 상태가 속하지만 작업 큐에 있다고 해서 반드시 메모리를 가진 것은 아니다.
준비 큐(ready queue): CPU를 할당받고 실행되기 위해 기다리고 있는 프로세스의 집합. 프로세스는 준비 상태
장치 큐(device queue): 각각의 장치마다 서비스를 기다리며 줄 서 있는 프로세스의 큐. 프로세스는 봉쇄 상태

스케줄러

어떤 프로세스에게 자원을 할당할지를 결정하는 운영 체제 커널의 모듈

장기 스케줄러(job scheduler): 어떤 프로세스를 준비 큐에 삽입할지를 결정한다. 준비 큐는 CPU만 얻으면 당장 실행 가능한 프로세스이기 때문에 메모리를 보유해야 하고, 메모리 또는 각종 자원을 얼마나 할당할지에 대해서도 관여한다.
수십 초 내 수 분 단위로 가끔 호출되므로 상대적으로 속도가 느려도 된다.
메모리에 동시에 올라가 있는 프로세스의 수를 조절한다.
현대 시분할 시스템에서는 보통 장기 스케줄러가 없다.

중기 스케줄러: 현대 시분할 시스템용 운영체제에서 사용한다. 너무 많은 프로세스에게 메모리를 할당해 시스템의 성능이 저하될 때 메모리에 적재된 프로세스의 수를 동적으로 조절한다.
프로세스당 보유 메모리량이 지나치게 적으면 일부 프로세스를 메모리에서 디스크로 스왑 아웃시킨다.

단기 스케줄러(CPU scheduler): 준비 상태의 프로세스 중에서 어떤 프로세스를 다음 번에 실행 상태로 만들 것인지 결정한다. 준비 큐에 있는 프로세스 중 어떤 프로세스에게 CPU를 할당할지를 결정하고, 시분할 시스템에서는 타이머 인터럽트가 발생하면 단기 스케줄러가 호출된다.
ms 이하 단위로 매우 빈번하게 호출되므로 속도가 빨라야 한다.

프로세스의 생성

시스템 부팅 후 최초의 프로세스는 운영 체제가 생성하고, 그 다음부터는 이미 존재하는 프로세스가 다른 프로세스를 복제 생성

부모 프로세스: 프로세스를 생성한 프로세스
자식 프로세스: 새롭게 생성된 프로세스

부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성하는 방식으로 족보(Tree)와 같은 계층 구조를 형성한다.

프로세스의 작업 수행

프로세스가 작업을 하려면 자원이 필요한데 아래와 같은 세가지 유형으로 자원을 공유한다.

부모-자식이 모든 자원을 공유
일부를 공유
전혀 공유하지 않음

프로세스가 수행되는 모델

부모-자식이 공존하며 수행: 자식과 부모가 CPU를 획득하기 위해 경쟁하는 관계.
자식이 종료될 때까지 부모가 기다림: 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스는 봉쇄 상태에 있다가 자식 프로세스가 종료되면 부모는 준비 상태가 되어 다시 CPU를 얻을 권한이 생긴다.

프로세스의 생성 절차

프로세스는 생성되면 자신만의 독자적인 주소 공간을 갖고, 자식 프로세스는 부모 프로세스의 주소 공간 내용을 그대로 복사해서 생성한다.

생성: 유닉스에서는 fork() 시스템 콜로 새로운 프로세스를 생성하고, 자식 프로세스를 생성할 때 부모 프로세스의 내용을 그대로 복제 생성한다. 부모 프로세스의 모든 문맥을 복제해서 생성되었기 때문에 부모 프로세스가 현재 수행한 시점(프로그램 카운터 지점)부터 수행할 수 있다.
종료: 부모 프로세스 종료 전에 자식 프로세스부터 종료되어야 한다.
- 자발적 종료: 프로세스가 마지막 명령 수행 후 exit() 시스템 콜로 운영 체제에게 알린다.
- 비자발적 종료: 부모 프로세스가 abort()를 호출하여 자식 프로세스의 수행을 강제 종료시킨다.

프로세스 간의 협력

프로세스는 각자 자신의 독립적인 주소 공간을 가지고 수행하므로 원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 없다.

하지만 독립적인 프로세스들이 서로 협력할 때 효율적인 경우 협력 매커니즘을 제공하여 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있도록 한다.

IPC(Inter-Process Communication)

대표적인 협력 매커니즘으로 하나의 컴퓨터 안에서 실행중인 서로 다른 프로세스 간에 발생하는 통신. 의사 소통 기능과 동기화가 보장되어야 한다.

메시지 전달: 프로세스 간 공유 변수를 사용하지 않고, 커널을 통해 메시지를 전달하는 방법으로 통신
공유 메모리: 프로세스 간 공유 변수를 사용하여 주소 공간의 일부를 공유한다.

스레드

스레드는 하나의 프로세스이므로 프로세스 간 협력으로 보기는 어렵지만 동일한 프로세스를 구성하는 스레드 간에는 주소 공간을 공유하므로 협력이 가능하다.

program counter, register set, stack space로 구성된다.
스레드가 동료 스레드와 공유하는 부분(task): code section, data section, OS resource

References
운영체제
[운영 체제와 정보 기술의 원리] 반효경 지음