프로세스의 개념

• 프로세스 : 실행 중인 프로그램, 일반적으로 잡(job)이라는 용어와 혼용해서 사용
• 프로세스의 문맥 : 프로세스가 현재 어떤 상태에서 수행되고 있는지 정확히 규명하기 위해 필요한 정보
  • 명령을 수행하는 동안 계속 CPU를 빼앗겼다가 획득하는 과정을 반복하기 때문에 수행을 재개하기 위해 직전 수행 시점의 정확한 상태를 재현해야 함
  • 즉, 프로세스의 문맥은 프로세스의 주소 공간(코드, 데이터, 스택)을 비롯해 레지스터에 어떤 값을 가지고 있었는지, 시스템 콜 등을 통해 커널에서 수행한 일의 상태, 그 프로세스에 관해 커널이 관리하고 있는 각종 정보 등을 포함

1. 하드웨어 문맥
   • CPU의 수행 상태를 나타내는 것
   • 프로그램 카운터값과 각종 레지스터에 저장하고 있는 값들을 의미
2. 프로세스의 주소공간
   • 코드, 데이터, 스택으로 구성된 자신만의 독자적 주소 공간
3. 커널상의 문맥
   • PCB와 커널스택 : 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 가지는 자료구조

프로세스의 상태

• 컴퓨터의 자원을 효율적으로 관리하기 위해 프로세스의 상태를 구분

1. 실행 (running)
   • 프로세스가 CPU를 보유하고, 기계어 명령을 실행하고 있는 상태
   • CPU는 하나뿐이므로, 여러 프로세스가 동시에 수행되는 것처럼 보여도 실제 실행 상태에 있는 프로세스는 매 시점 하나뿐
2. 준비 (ready)
   • 프로세스가 CPU만 보유하면 당장 명령을 실행할 수 있지만 CPU를 할당받지 못한 상태
3. 봉쇄 (blocked, wait, sleep)
   • 프로세스가 CPU를 할당받더라도 당장 명령을 실행할 수 없는 상태
   • ex. 요청한 입출력 작업이 진행중인 경우
4. 그 외 : 일시적 상태
   • 시작 (new) : 프로세스가 생성중, 프로세스가 시작되어 각종 자료구조는 생성되었지만 아직 메모리 획득을 승인받지 못한 상태
   • 완료 (terminated) : 프로세스가 종료중, 프로세스가 종료되었지만 운영체제가 자료구조를 완전히 정리하지 못한 상태

• 문맥교환 : 실행시킬 프로세스를 변경하기 위해 원래 수행 중이던 프로세스의 문맥을 저장하고 새로운 프로세스의 문맥을 세팅하는 과정
• 문맥교환이 일어나는 경우
  1. 타이머 인터럽트가 발생한 경우
  2. 실행 상태에 있던 프로세스가 입출력 요청 등으로 봉쇄 상태로 바뀌는 경우
• 디스패치(scheduler dispatch) : 준비상태에 있는 프로세스가 CPU를 넘겨받아 실행상태가 되는 과정

프로세스 제어블록

• PCB : 운영체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 정보들을 담는 커널 내의 자료구조
  • 프로세스의 상태 : CPU를 할당해도 되는지 여부 결정위해 필요
  • 프로그램 카운터의 값 : 다음 수행할 명령의 위치를 가리킴
  • CPU 레지스터의 값 : CPU 연산을 위해 현 시점에 레지스터에 어떤 값을 저장하고 있는지
  • CPU 스케줄링 정보
  • 메모리 관리 정보
  • 자원 사용 정보
  • 입출력 상태 정보

문맥교환

• 문맥교환 : 하나의 사용자 프로세스로부터 다른 사용자 프로세스로 CPU의 제어권이 이양되는 과정
• 문맥교환이 일어나는 경우
  1. 타이머 인터럽트가 발생한 경우
  2. 실행 상태에 있던 프로세스가 입출력 요청 등으로 봉쇄 상태로 바뀌는 경우
• 과정
  1. 타이머 인터럽트가 발생
  2. CPU의 제어권이 운영체제에게 넘어감
  3. 운영체제는 타이머 인터럽트 처리루틴으로 가서 직전까지 수행 중이던 프로세스의 문맥을 저장하고 새롭게 실행시킬 프로세스에게 CPU를 이양
  4. 원래 수행 중이던 프로세스는 준비 상태로 바뀌고 새롭게 CPU를 할당받은 프로세스는 실행 상태가 됨
  5. 기존 프로세스는 프로그램 카운터값 등 프로세스의 문맥을 자신의 PCB에 저장 하고, 새로운 프로세스는 예전에 저장했던 자신의 문맥을 PCB로부터 실제 하드웨어로 복원시킴
• 프로세스가 실행 상태일 때 시스템 콜이나 인터럽트가 발생해서 CPU의 제어권이 운영체제로 넘어갈 때도 CPU의 실행 위치 등 프로세스의 문맥 중 일부를 PCB에 저장하지만 이 때는 문맥교환이라고 하지않음 ⇒ 하나의 프로세스의 실행모드만이 사용자모드 ↔ 커널모드 로 바뀌는 것일뿐, CPU를 점유하는 프로세스가 다른 프로세스로 변경되는 것이 아니기 때문
• 위와 같은 모드 변경보다 문맥교환이 훨씬 오버헤드가 큼

⇒ 즉, 커널모드 전후로 CPU를 점유하는 사용자 프로세스가 바뀌는 경우만 문맥교환이다.

프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

• 운영체제는 준비 상태의 프로세스들을 줄 세우기 위해 준비 큐(ready queue)를 두고 제일 앞에 서있는 프로세스에게 먼저 CPU를 할당 ⇒ 줄 세우는 방법은 CPU 스케줄링에 따라 다름
• 준비 큐 외에도 특정 자원을 기다리는 프로세스들을 줄 세우기 위해 자원별로 장치 큐(device queue)를 둠
• 하드웨어 자원 : 디스크 입출력 큐, 키보드 입출력 큐 등
• 소프트웨어 자원 : 공유 데이터에 대한 접근
  • 어떤 프로세스가 공유 데이터를 접근하는 중에 입출력 요청 등으로 인해 봉쇄 상태나 준비 상태로 변경된 경우에도 다른 프로세스가 접근하면 안 되므로 다른 프로세스가 CPU를 할당받았다고 하더라도 기존 프로세스가 자원을 반납할 때까지 큐에서 기다렸다가 받아야 함
• 운영체제는 앞서 나온 두 가지 큐 외에 작업 큐(job queue)를 추가로 유지
  • 시스템 내의 모든 프로세스를 관리하기 위한 큐
  • 프로세스의 상태와 무관하게 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스가 속함 ⇒ 작업 큐에 있다고 해서 반드시 메모리를 가지는 것은 아님
• 작업큐가 가장 넓은 개념이고 준비큐와 장치큐에 있는 프로세스들은 모두 작업큐에 속해 있음
• 프로세스의 상태 관리는 커널의 주소 영역 중 데이터 영역에 다양한 큐를 두어 수행

스케줄러

• 스케줄러 : 어떤 프로세스에게 자원을 할당할지 결정하는 운영체제 커널의 코드

1. 장기 스케줄러 (long term scheduler), 작업 스케줄러 (job scheduler)
   • 어떤 프로세스를 준비 큐에 진입시킬지 결정하는 역할
   • 처음 생성되어 시작상태의 프로세스들 중 어떠한 프로세스를 준비 큐에 삽입할 것인지 결정
   • 가끔 호출되기 때문에 상대적으로 속도가 느린 것이 허용됨
   • 메모리에 동시에 올라가 있는 프로세스의 수를 조절 ⇒ 시작 상태의 프로세스에게 메모리 할당을 승인할지 여부를 결정하기 때문
   • 현대의 시분할 시스템에서는 일반적으로 장기 스케줄러를 두지 않음, 프로세스가 시작 상태가 되면 장기 스케줄러 없이 곧바로 프로세스에 메모리를 할당해 준비 큐에 넣음
2. 단기 스케줄러 (short term scheduler), CPU 스케줄러
   • 어떤 프로세스에게 CPU를 할당할 것인가를 결정하는 역할
   • 준비 상태의 프로세스 중 어떤 프로세스를 실행 상태로 만들 것인지 결정
   • 시분할 시스템에서는 타이머 인터럽트가 발생하면 단기 스케줄러가 호출됨
   • 짧은 단위로 빈번하게 호출되기 때문에 수행속도가 충분히 빨라야 함
3. 중기 스케줄러 (medium term scheduler)
   • 현대의 시분할 시스템용 운영체제에서 장기 스케줄러 대신 두는 것
   • 너무 많은 프로세스에게 메모리를 할당해 시스템의 성능이 저하되는 경우 이를 해결하기 위해 메모리에 적재된 프로세스의 수를 동적으로 조절
   • 스왑 아웃 (swap out) : 메모리에 올라와 있는 프로세스 중 일부를 선정해 메모리를 통째로 빼앗아 그 내용을 디스크의 스왑 영역에 저장
   • 스왑 아웃 0순위 : 봉쇄 상태에 있는 프로세스들 (당장 CPU를 획득할 가능성이 없기 때문)
   • 그다음 순위 : 타이머 인터럽트가 발생해 준비 큐로 이동하는 프로세스

   ⇒ 이러한 방식으로 장기 스케줄러와 마찬가지로 메모리에 올라와 있는 프로세스의 수를 조절

• 중지 상태 (suspended, stopped)
  • 외부적인 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태 (ex. 중기 스케줄러)
  • 외부에서 재개시키지 않는 이상 다시 활성화 될 수 없음

1. 중지준비 상태 (suspended ready)
   • 준비 상태에 있던 프로세스가 중기 스케줄러에 의해 디스크로 스왑아웃 된 경우
2. 중지봉쇄 상태 (suspended blocked)
   • 봉쇄 상태에 있던 프로세스가 중기 스케줄러에 의해 디스크로 스왑아웃 된 경우
   • 중지봉쇄 상태에서 봉쇄되었던 조건을 만족하면 중지준비로 바뀜

프로세스의 생성

• 부팅 후 최초의 프로세스는 운영체제가 직접 생성하지만 그다음부터는 이미 존재하는 프로세스가 다른 프로세스를 복제 생성함
• 부모 프로세스 : 프로세스를 생성한 프로세스
• 자식 프로세스 : 새롭게 생성된 프로세스
• 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성함
• 반드시 자식이 먼저 죽고, 이에 대한 처리를 부모 프로세스가 담당하는 방식

1. 부모와 자식이 공존하며 수행되는 모델
   • 자식과 부모가 같이 CPU 획득을 위해 경쟁하는 관계
2. 자식이 종료될 때까지 부모가 기다리는 모델
   • 자식이 종료될 때까지 부모는 아무 일도 하지 않고 봉쇄 상태, 자식이 종료되면 그때서야 준비 상태가 되어 다시 CPU 얻을 권한이 생김

• fork() : 부모를 그대로 복사 (주소 공간을 비롯해 프로그램 카운터 등 레지스터 상태, PCB 및 커널스택 등 모든 문맥을 그대로 복사)
  • 자식 프로세스는 부모가 현재 수행한 시점부터 수행하게 됨
  • 자식과 부모는 PID (프로세스 식별자)만 다름
  • 결과값으로 부모는 양수, 자식은 0을 받음
• exec() : 지금까지 수행했던 상태를 잊어버리고 그 주소 공간을 완전히 새로운 프로그램으로 덮어씌운 후 새로운 프로그램의 첫 부분부터 다시 실행

⇒ 새로운 프로그램을 수행시키기 위해서는 fork()를 통해 복제한 후 exec)을 통해 덮어씌우면 됨

• wait() : 자식이 종료되기를 기다리며 부모가 봉쇄상태에 머무르도록 할 때
  • fork() 후 wait()을 호출하면 자식이 종료될 때까지 부모를 봉쇄 상태에 머무르게 하고, 자식이 종료되면 부모를 준비 상태로 변경시켜 작업 재개

프로세스 간의 협력

• 원칙적으로 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 없지만, 경우에 따라서 프로세스들이 협력할 때 효율성이 증진될 수 있음
• IPC (Inter-Process Communication)
  • 하나의 컴퓨터 안에서 실행 중인 서로 다른 프로세스 간에 발생하는 통신, 의사소통 기능과 함께 동기화를 보장해주어야 함
  • 프로세스들 간 통신과 동기화를 이루기 위한 매커니즘
  • 공유 데이터 (shared data) 사용여부에 따라 두 가지 방법

1. 메시지 전달 (message passing)
   • 프로세스 간 공유데이터를 일체 사용하지 않고 메시지를 주고받으며 통신하는 방식
   • 두 프로세스는 주소 공간이 다르므로 직접 전달할 수 없고, 커널이 그 역할을 함
   • 직접통신 : 통신하려는 프로세스의 이름을 명시적으로 표시, 링크 자동생성, 하나의 링크는 정확히 한 쌍의 프로세스에게 할당, 각 쌍에게는 오직 하나의 링크만 존재, 링크는 대부분 양방향성
   • 간접통신 : 메시지를 메일박스 또는 포트로부터 전달받음, 메일박스를 공유하는 프로세스들만 서로 통신가능, 하나의 링크가 여러 프로세스에게 할당될 수 있고, 각 프로세스 쌍은 여러 링크 공유 가능, 링크는 단방향성 또는 양방향성
2. 공유메모리 (shared memory)
   • 프로세스들이 주소 공간의 일부를 공유
   • 각자의 주소 공간에 공통적으로 포함되는 영역이므로 여러 프로세스가 읽고 쓰는 것이 가능
   • ❌ 데이터 일관성 문제가 유발될 수 있지만, 커널이 책임지지 않기 때문에 프로세스들끼리 직접 문제를 책임져야 함