[OS] 프로세스 개요

프로세스 개요

프로세스(Process)

• 프로세스(Process)란? 실행 중인 프로그램
  • 프로그램: 동작을 하지 않는 정적, 수동적 개체
  • 프로세스: 동작을 하는 능동적 개체
• 운영체제로부터 자원을 할당받아 동작
  • 자원: CPU, 메모리, 입출력 장치, 파일 등
  • 동작: CPU가 프로세스의 명령을 실행

프로세스(Process)와 운영체제(Operating System)

• 프로세스 관리자의 역할
  • 프로세스를 생성 및 삭제
  • 프로세스 실행(CPU 할당)을 위한 스케줄 결정
  • 프로세스의 상태를 관리하며 상태 전이를 처리

프로세스의 상태

• 상태 모델
  • 생성: 처음 작업이 시스템에 주어진 상태
  • 준비: 실행 준비가 되어 CPU 할당을 기다리는 상태
  • 실행: 프로세스가 처리되는 상태
  • 종료: 모든 처리가 완료되어 사용자에게 반환되는 상태
  • 대기: 프로세스가 특정 자원을 할당받을 때까지 또는 입출력(I/O, Input/Output) 작업이 끝날 때까지 작업이 보류되는 상태
  • 디스패치(Dispatch): 준비단계에서 실행단계로 가는 과정

프로세스의 상태 변화

프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)

• 프로세스의 관리를 위한 목적
• 프로세스의 정보를 보관
• 각 프로세스마다 존재
• 프로세스가 진행함에 따라 내용 변경

프로세스 제어 블록

프로세스의 생성과 종료

• 프로세스 생성 작업
  • 프로세스의 이름(번호, PID) 결정
  • 준비 큐에 삽입
  • 초기 우선순위 부여
  • 프로세스 제어(PCB) 생성 등
• 프로세스 생성 방법: 시스템 호출
• 프로세스 생성 시스템 호출
  • 하나의 프로세스가 프로세스 생성 시스템 호출을 통해 새로운 프로세스를 생성
  • 호출하는 프로세스: 부모 프로세스
  • 생성되는 프로세스: 자식 프로세스
  • 시스템 프로세스와 사용자 프로세스 모두 부모 프로세스 가능
  • 생성되는 프로세스의 자원
    • 운영체제로부터 직접 얻는 경우
    • 부모 프로세스 자원의 일부를 얻는 경우
    • 자식 프로세스 자원의 경우 시스템 과부하 방지를 위해 부모 프로세스의 자원으로 제한됨
• 프로세스 종료 작업
  • 프로세스의 마지막 명령이 실행을 마치는 경우
  • 프로세스 종료 시스템 호출을 통하는 경우
  • 프로세스 종료 후 부모 프로세스에게 실행결과를 되돌려 줌
• 프로세스 종료 시스템 호출
  • 부모에 의해서만 호출
  • 자식 프로세스가 할당된 자원의 사용을 초과할 때 혹은 더 이상 필요치 않을 때

프로세스 간의 관계

• 독립적 프로세스
  • 의미: 다른 프로세스의 영향을 받지 않고 주지도 않음
  • 프로세스 상태: 다른 프로세스와 공유하지 않음
  • 실행
    • 결정적: 실행결과는 입력 상태에 의해서만 결정
    • 재생 가능: 실행결과는 같은 입력에 대하여 항상 동일
    • 다른 프로세스와 무관하게 중단 및 재시작 가능
• 유기적 프로세스
  • 의미: 다른 프로세스와 영향을 주고받음
  • 프로세스 상태: 다른 프로세스와 공유함
  • 실행
    • 비결정적: 실행결과는 실행 순서에 좌우되기 때문에 미리 예측할 수 없음
    • 재생 불가능: 실행결과는 동일한 입력에 대하여 항상 동일치 않음. 매번 다른 결과가 도출

스레드(Thread)

• 전통적인 프로세스
  • 처리의 기본 단위
  • 자원 소유의 단위(하나의 주소 공간) 및 디스패칭의 단위(하나의 제어 흐름)
  • 단일 프로세스 내에서 동시처리 불가능. 즉, 병렬 처리 불가능 -> 스레드 등장
• 스레드(Thread)
  • 프로세스 내에서의 다중처리를 위해 제안된 개념
  • 하나의 프로세스 내에는 하나 이상의 스레드가 존재
  • 하나의 스레드 내에서는 하나의 실행점만 존재(디스패칭의 단위)
  • 실행에 필요한 최소한의 정보만을 가지며, 자신이 속해 있는 프로세스의 실행환경을 공유

스레드

• 왼쪽 그림은 단일 스레드로 구성된 프로세스
• 오른쪽 그림은 3개의 스레드로 구성된 프로세스

 

• 다중 스레드의 장점
  • 멀티 CPU 혹은 멀티코어 시스템에서는 병렬 처리 가능
  • 처리 속도 별로 스레드가 나눠진 경우 효율적인 처리 가능

다중 스레드

스케줄링(Scheduling)

스케줄링 단계

스케줄링 단계

스케줄링이란? 여러 가지 작업들의 처리 순서를 결정하는 것

• 스케줄링 기본 목표
  • 공정성: 모든 프로세스가 적정 수준에서 CPU 작업을 할 수 있게 함
  • 균형: 시스템의 자원들이 충분히 활용될 수 있게 함
• 상위단계 스케줄링
  • 시스템에 들어오는 작업들을 선택하여 프로세스를 생성한 후 프로세스 준비 큐에 전달
  • 선택 기준: 시스템의 자원을 효율적으로 이용할 수 있도록 하는 것
  • 입출력(I/O) 중심 작업과 연산 중심 작업을 균형 있게 선택
• 중간단계 스케줄링
  • 프로세스를 일시적으로 메모리에서 제거하여 중지시키거나 다시 활성화시킴
  • 시스템에 대한 단기적인 부하를 조절
• 하위 단계 스케줄링
  • 사용 가능한 CPU를 준비상태의 어느 프로세스에게 배당할지를 결정
  • CPU를 배당받은 프로세스는 결국 실행상태가 되어 프로세스가 처리됨
  • 수행 주체: 디스패처(Dispatcher)
• 선점(Preemptive) 스케줄링 정책
  • 진행 중인 프로세스에 인터럽트(Interrupt)를 걸고 다른 프로세스에 CPU를 할당하는 스케줄링 전략
  • 높은 우선순위의 프로세를 긴급하게 처리하는 경우에 유용
  • 대화식 시분할 시스템에서 빠른 응답 시간을 유지하는데 유용
  • 문맥 교환에 따른 오버헤드 발생
    • 오버헤드(Overhead): 오버헤드란 프로그램의 실행 흐름에서 나타나는 현상중 하나. 프로그램의 실행 흐름 도중에 동떨어진 위치의 코드를 실행시켜야 할 때, 추가적으로 시간, 메모리, 자원이 사용되는 현상.
      즉, 오버헤드는 어떤 처리를 하기 위해 들어가는 간접적인 처리 시간, 메모리, 자원 등을 말함
• 비선점(Non-Preemptive) 스케줄링 정책
  • 프로세스가 CPU를 할당받아 실행이 시작되면 작업 자체가 I/O 인터럽트(Interrupt)를 걸거나 작업을 종료할 때까지 실행상태에 있게 됨
  • 모든 프로세스가 공정하게 순서에 따라 실행됨 -> 웅답 시간 예측 가능
  • 짧은 프로세스가 긴 프로세스를 기다리게 될 수 있음

 

본 글은 한국방송통신대학교 강의를 참고해 정리한 글입니다.