03_Process Description & Control

0. 운영체제의 기본 요구조건

운영체제는 프로세스 관리를 위해 다음 사항을 충족해야 한다.

• 인터리빙 (Interleaving)

  • 여러 프로세스를 번갈아 수행하여
  • 처리기(CPU) 이용률을 극대화하고 적절한 응답 시간을 제공

• 자원 할당

  • 교착상태(Deadlock)를 회피하며,
  • 우선순위 등의 특정 정책에 맞게 자원을 할당

• 통신 및 생성 지원

  • 프로세스 간 통신(IPC)과 사용자 프로세스 생성을 지원하여
  • 응용 프로그램의 구조화를 도움

1. 프로세스란?

프로그램(Program)	프로세스(Process)
단순한 코드 파일인 프로그램	실행 중인 프로그램(a program in execution)
-	수행 중인 프로그램의 인스턴스(instance)
디스크에 저장된 수동적 개체(passive entity)	처리기에 할당되는 활동의 단위(active entity)

멀티프로그래밍과 시분할 시스템의 핵심 개념 구조적으로 프로그램 코드, 데이터, 스택, 프로세스 정보로 구성

• 프로세스 구성요소(Element)
  • 식별자, 상태, 우선순위, 프로그램 카운터, 메모리 포인터, 문맥 데이터, I/O 상태 정보, 어카운팅 정보

2. 프로세스 상태 (Process States)

2.1. 2-state Model

• 수행(Running)과 비수행(Not-running) 두 가지 상태만 존재

  • 비수행 프로세스들은 큐(queue)에서 대기

  • OS는 큐에 있는 PCB 포인터를 관리하며 디스패치(Dispatch)를 수행한다.

2.2. 5-state Model

상태	설명
생성(New)	프로세스가 막 만들어진 상태
준비(Ready)	실행 대기 중인 상태
수행(Running)	CPU에서 실행 중인 상태
블록(Blocked)	이벤트(I/O 등) 대기 상태
종료(Exit)	실행 완료된 상태

• 주요 상태 전이
  • 생성→준비 (승인)
  • 준비→수행 (디스패치)
  • 수행→준비 (시간만료/선점)
  • 수행→블록 (이벤트 대기)
  • 블록→준비 (이벤트 발생)

2.3. 스와핑 & 보류(Suspended) 상태

• 스왑-아웃(swap-out)
  • 메모리 부족 시 프로세스 이미지를 디스크의 스왑 공간으로 내보낸다.
• 스왑-인(swap-in)
  • 다시 메모리로 불러온다.

이에 따라 Ready/Suspend, Blocked/Suspend 상태가 추가된다.

• 프로세스 생성 이유

  • 새로운 일괄처리 작업, 대화형 로그온, OS가 서비스 제공, 기존 프로세스에 의한 생성(spawn)

• 프로세스 종료 이유

  • 정상 완료, 시간 한도 초과, 메모리 부족, 경계범위 위반, 보호 오류, 산술 오류, 부모 종료 등

2.4. 7-state Model

• 메모
  • Ready: CPU를 할당받으면 바로 동작 가능한 집합
  • Dispatch: 고르는 작업 - CPU 스케줄링, 디스패처가 작업
  • Blocked Suspended: 준비 안 된 Blocked를 먼저 내려보내는게 유리하다.

3. 프로세스 기술 (Process Description)

3.1. OS 제어 구조

• OS는 각 프로세스와 자원의 현재 상태를 관리하기 위해 네 종류의 테이블을 유지한다.
  1. 메모리 테이블: 주기억장치 및 2차 메모리 할당 정보, 가상 메모리 관리 정보
  2. I/O 테이블: I/O 장치 할당 및 전송에 필요한 정보
  3. 파일 테이블: 디스크 내파일 위치, 상태, 속성 정보
  4. 프로세스 테이블: 프로세스 위치 및 PCB 속성 정보

3.2. 프로세스 이미지

프로세스는 메모리 상에 다음 구조로 존재한다.

2.1. Process Memory Layout (Process Image)

프로그램 → 메모리: 프로세스 이미지

영역	저장 내용	할당 시기	해제 시기
PCB (프로세스 제어 블록)	프로세스 정보 (PID, 프로세스 상태, CPU 레지스터, PC 등)	프로세스 생성	프로세스 종료
Code/Text Segment	프로그램의 읽기 전용 기계어 명령어	프로그램 시작	프로그램 종료
Data Segment	정적 할당 변수 (전역 변수)	프로그램 시작	프로그램 종료
Heap Segment	동적 할당 변수	런타임	런타임
Free Area	사용 가능한 여유 메모리 공간	-	-
Stack Segment	지역 변수, 매개변수, 리턴 값 등	함수 호출	함수 종료

원본 링크

• cf.
  • Process-pool (프로세스 풀)
    • 운영체제로부터 각각 독립된 메모리 공간을 가진 프로세스들을 미리 여러 개 생성해두는 것
  • Thread-pool (스레드 풀)
    • 하나의 프로세스 내에서 자원을 공유하는 스레드들을 미리 여러 개 생성해두는 것

3.3. PCB

• 프로세스 제어 블록 (PCB; Process Control Block)

  • OS가 관리하는 핵심 자료구조로 다음을 포함한다.

  • 프로세스 식별: PID(자신), PPID(부모), UID(사용자) 등

  • 처리기 상태 정보: 사용자 가시 레지스터, 프로그램 카운터, 조건 코드, 스택 포인터

  • 프로세스 제어 정보: 스케줄링 정보(상태, 우선순위, 이벤트), 프로세스 간 포인터, IPC 정보, 프로세스 권한, 메모리 관리, 자원 이용률

3.4. 프로세스 문맥

• 문맥 (Context)

  • 커널이 관리하는 태스크의 자원과 제어 흐름의 집합

• 프로세스 문맥은 3가지로 구성된다.

  • 시스템 문맥 (task structure, file table 등)
    • Task Structure → Segment Table → Page Table (불연속적인 메모리의 관리)
  • 메모리 문맥 (세그먼트/페이지 테이블, 디스크)
  • 하드웨어 문맥 (레지스터: eip, sp, eflags 등)

4. 프로세스 제어 (Process Control)

4.1. 모드 전환

• 대부분의 처리기는 두 가지 실행 모드를 제공한다.

  • 사용자 모드(User Mode): 제한된 권한
  • 커널 모드(Kernel Mode; System): 특권 명령 실행 가능

• 모드 전환은 서비스 호출, 인터럽트, I/O 인터럽트 등으로 발생한다. (+ System Call)

4.2. 프로세스 교환 (문맥 교환)

모드 전환은 현재 프로세스의 상태 변경 없이도 발생할 수 있지만, 프로세스 교환(문맥 교환)은 반드시 상태 변경을 수반한다.

• 프로세스 교환 유발 사건

  • 클록 인터럽트: 시간 만료 (수행 → 준비)
  • 메모리 폴트: 페이지 부재 시 디스크에서 읽어옴 (수행 → 블록)
  • I/O 인터럽트: 입출력 완료 (블록 → 준비)
  • 트랩: 오류나 예외 상황 발생
  • 수퍼바이저 호출: 시스템 콜(OS 서비스) 요청 발생

• 프로세스 교환/문맥 교환 (Process Switching/Context Switching)

  • 현재 실행 중인 프로세스의 문맥(레지스터, 상태 등)을 PCB에 저장하고,
  • 새로운 프로세스의 문맥을 복원하여 CPU의 제어권을 완전히 넘기는 작업
  • (+ 오버헤드 발생)

• 프로세스 교환 절차

  1. 현재 프로세스(PA)의 처리기 문맥 저장
  2. PA의 PCB 갱신
  3. PA의 PCB를 적절한 큐에 삽입
  4. 실행할 프로세스(PB) 선택
  5. PB의 PCB 갱신
  6. 메모리 관리 자료구조 갱신
  7. PB의 문맥 복원(restore)

4.3. 프로세스 생성 절차

• 유일한 PID 할당
• → 주소공간 할당
• → PCB 초기화(PC, SP, 우선순위 등)
• → 준비큐에 삽입
• → 관련 자료구조 생성

5. 운영체제의 실행 방식

OS가 실행되는 방식은 세 가지이다.

• (a) 분리된 커널

  • OS 코드가 특권 모드에서 독립된 개체로 실행

• (b) 사용자 프로세스 내 실행

  • 각 프로세스의 주소 공간 안에 OS 기능이 포함되어,
  • OS 코드 실행 시 커널 모드로 전환

• (c) 프로세스 기반 OS

  • OS 자체가 시스템 프로세스들의 집합으로 구현되며,
  • 다중 처리기 환경에 유용

cf. UNIX SVR4 프로세스 관리

오래된 것이긴 하지만 참고

• UNIX SVR4는 OS가 사용자 프로세스 환경 내에서 실행되는 모델을 사용하며, 9개의 프로세스 상태를 정의한다.

  • 사용자 수행, 커널 수행, 메모리 상의 준비, 스왑된 준비, 메모리 상의 수면, 스왑된 수면, 선점, 생성, 좀비

• 주요 프로세스

  • pid 0: swapper (스와퍼 프로세스)
  • pid 1: init (초기화 프로세스)

• 프로세스 이미지 구성

  • 사용자 수준 문맥 (텍스트, 데이터, 사용자 스택, 공유 메모리)
  • 레지스터 문맥 (PC, 처리기 상태 레지스터, 스택 포인터)
  • 시스템 수준 문맥 (프로세스 테이블 항목, U area, 커널 스택)

• 프로세스 생성 - fork() 동작 순서

  • 프로세스 테이블 슬롯 할당
  • → PID 할당
  • → 부모 이미지 복사
  • → 파일 참조계수 증가
  • → 자식을 준비 상태로 설정
  • → 부모에게 자식 PID 반환, 자식에게 0 반환