[Operating System] 프로세스의 개요, 상태

• 이 글은 '쉽게 배우는 운영체제' 책을 참고하여 작성하였습니다.

프로세스의 개념

프로그램과 프로세스의 차이는 기본적으로 알아야 한다. 프로그램은 하드디스크 같은 저장장치에 보관되어 있다가 마우스로 더블클릭하면 실행된다. 폰노이만 구조에서 프로그램이 실행된다는 것은 해당 코드가 메모리에 올라와서 작업이 진행된다는 의미이다.

• Program(프로그램) : 저장장치에 저장되어 있는 정적인 상태

• Process(프로세스) : 실행을 위해 메모리 올라온 동적인 상태

프로그램이란 어떤 데이터를 사용하여 어떤 작업을 할 지 그 절차를 적어놓은 것이다. 반면 프로세스는 프로그램으로 작성된 작업 절차를 실제로 실행에 옮긴다는 의미이다.

프로그램에서 프로세스의 전환

우선 운영체제는 프로그램을 메모리의 적당한 위치로 가져온다. 그와 동시에 프로세스 제어 블록을 생성하는데 프로세스 제어 블록은 프로세스를 처리하는 데 필요한 다양한 정보가 들어 있다.

• 프로세스 구분자 : 메모리에는 여러 개의 프로세스가 존재하므로 각 프로세스를 구분할 구분자가 필요하다.

• 메모리 관련 정보 : CPU는 실행하려는 프로세스가 메모리 어디 위치에 있는지 알아야 한다. 따라서 프로세스의 메모리 위치 정보가 필요하다.

• 각종 중간값 : 프로세스가 사용했던 중간값이 필요하다, 시분할 시스템에서는 여러 프로세스가 번갈아가며 실행하기 때문에 다음 명령어를 저장하는 레지스터인 프로그램 카운터가 프로세스 제어 블록에 저장된다.

결론적으로 하나의 프로세스를 실행하려면 프로세스 구분자, 메모리 관련 정보, 프로그램 카운터와 각종 레지스터와 같은 중간값을 관리해야 하며, 이러한 정보를 보관하는 데이터 구조가 프로세스 제어 블록이다. 또한, 프로그램이 프로세스가 되려면 메모리에 올라오는 것과 동시에 프로세스 제어 블록이 생성되어야 한다.

프로세스 제어 블록은 운영체제가 해당 프로세스를 위해 관리하는 데이터 구조이기 때문에 운영체제 영역에 만들어진다. 따라서 내용들을 종합해보면 프로그램이 프로세스가 된다는 것은 운영체제로부터 프로세스 제어 블록을 얻는다는 뜻이고 프로세스가 종료되는 것은 프로세스 제어 블록이 폐기된다는 뜻이다.

프로세스의 상태

프로세스의 상태는 시스템 별로 다양하다. 일괄 작업 시스템일 경우 프로세스가 생성된 후 CPU를 얻어 실행되고 작업을 마치면 종료되기 때문에 생성, 실행, 완료 3가지 상태로 존재한다. 시분할 시스템일 경우는 이보다 더 복잡한데 CPU를 얻어 실행 중인 프로세스가 중간에 다른 프로세스에 CPU를 넘겨주는 일이 빈번하기 때문이다.

프로세스의 4가지 상태

• 생성 상태 : 프로세스가 메모리에 올라와 실행 준비를 완료한 상태이다. 프로세스를 관리하는데 필요한 프로세스 제어 블록 생성

• 준비 상태 : 생성된 프로세스가 CPU를 얻을 때까지 대기하는 상태이다.

• 실행 상태 : 준비 상태에 있는 프로세스가 CPU를 얻어 실제 작업을 수행하는 상태, 실행 상태에 있는 프로세스가 일정 시간 동안 작업을 완료하지 못하면 다시 준비 상태로 돌아간다.

• 완료 상태 : 실행 상태의 프로세스가 주어진 시간동안 작업을 완료할 경우 완료 상태로 간다. 완료 상태는 프로세스 제어 블록이 사라진 상태 의미

CPU 스케줄러

준비 상태에 있는 여러 프로세스 중 다음에 실행할 프로세스를 선정하는 일을 담당

디스패치 ( Dispatch )

준비된 프로세스를 실행상태로 바꾸는 CPU 스케줄러의 작업

타임 퀀텀, 타임 슬라이스

프로세스가 실행 상태에서 일정 시간동안 작업을 하는데 이러한 시간을 타임 퀀텀, 슬라이스라고 부른다

타임아웃

프로세스가 실행 상태에서 타임퀀텀 동안 작업을 완료하지 못하면 다시 준비상태로 돌아가는데 이를 타임아웃이라고 한다.

프로세스의 5가지 상태

프로세스는 생성, 준비, 실행, 완료 4가지 상태만 있어도 작업 진행하는데 큰 무리가 없지만 오늘날 운영체제의 효율성을 고려하여 '대기' 상태를 하나 추가하였다.

• 대기 상태 : 입출력을 요구한 프로세스가 입출력이 완료될 때까지 기다리는 상태

작업의 효율성을 위해 입출력을 요청한 프로세스를 실행 상태에 두지 않고 대기 상태로 옮기는 것이다. 그에 따라 CPU 스케줄러는 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나를 실행 상태로 만든다. 대기 상태의 프로세스는 요청한 입출력이 완료되면 입출력 관리자부터 인터럽트를 받는다. 대기 상태의 프로세는 실행 상태로 되돌아가는 것이 아닌 준비상태로 돌아가 CPU를 얻을 때까지 대기한다.

휴식 상태와 보류상태

대부분의 프로세는 위 5가지 상태로 운영되며, 다음 상태들을 활성 상태라고 한다. 다음 설명할 휴식 상태와 보류상태는 그 외 특별한 경우이다.

• 휴식 상태 : 프로세스가 작업을 일시적으로 쉬고 있는 상태, 사옹하던 데이터가 메모리 그래도 있고 프로세스 제어 블록도 유지, 멈춘 시점부터 재시작 가능, ex) 유닉스 ctrl + z

• 보류 상태 : 프로세스가 메모리에서 잠시 쫓겨난 상태, 보류 상태에 들어간 프로세스는 메모리 밖으로 쫓겨나 스왑 영역(데이터가 임시 보관되는 곳) 에 보관, 대기 상태에서 옮겨지면 보류 대기 상태, 준비 상태에서 옮겨지면 보류 준비 상태

보류상태가 나타나는 경우

• 메모리가 꽉 차서 일부 프로세스를 메모리 밖으로 내보낼 때
• 프로그램에 오류가 있어 실행을 미루어야 할 때
• 바이러스와 같이 악의적인 공격 하는 프로세스로 판단될 때
• 매우 긴 주기로 반복되는 프로세스라 메모리 밖으로 쫓아내도 문제가 없을 경우
• 입출력을 기다리는 프로세스의 입출력이 계속 지연될

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