[OS] 프로세스

 

프로세스란?

하드디스크(SSD/HHD)에 저장된 정적 프로그램 파일이 메모리로 로딩되고 CPU에서 실행되는 것. 즉, 실행 중인 프로그램을 뜻한다.
하드디스크에 있는 프로그램 파일을 실행하면 OS가 그 프로그램의 실행을 위해 메모리 공간을 할당하고, 할당된 메모리 공간으로 바이너리 코드가 올라가게 된다.
CPU가 그 코드를 실행하며, 이 순간부터 프로세스라고 불린다.
프로그램이 단순한 파일이라면, 프로세스는 그 파일이 실제로 실행 중인 상태 + OS가 관리하는 정보의 결합이다.
하나의 프로그램을 여러 번 실행시킬 수 있고, 실행시킨 수만큼 프로세스가 여러 개 만들어지기 때문에 각 프로세스를 그 프로그램의 인스턴스라고 한다.

 

프로세스의 메모리 구조

프로세스가 메모리에 올라오면 아래와 같은 구조를 가진다.

• 코드 영역: 실행 파일의 소스코드가 로딩되는 부분
• 데이터 영역: 전역변수, static 변수가 할당되어있는 부분
• 힙 영역: 동적할당을 위한 메모리 영역 (malloc, new 같은 동적 메모리)
• 스택 영역: 지역변수, 함수 호출 등을 위한 메모리 영역

프로세스에는 프로세스가 쓰는 메모리와 커널이 쓰는 메모리가 있다. 사용자 공간은 일반 프로그램이 직접 접근하는 공간으로 프로세스의 코드/데이터/힙/스택 영역이 이에 속한다.
커널 공간은 커널 코드와 데이터가 있는 영역으로 사용자 프로그램이 직접 접근을 못하고, 시스템 콜을 통해서만 접근이 가능하다.
PCB, 프로세스 스케줄링 정보, 파일 디스크립터 테이블과 같은 건 모두 커널 공간에 존재한다.

 

PCB (Process Control Block)

운영체제는 하드웨어가 효율적으로 동작할 수 있도록 관리해주는 소프트웨어인데… 이 운영체제라는 프로그램이 프로세스를 하나 만들어서 실행하려면 그 프로세스와 관련된 데이터 구조가 있어야 함. 프로세스가 뭔지에 대한 기본적인 정보들도 저장되어 있어야 함. 이렇게 프로세스에 대한 정보를 저장해놓은 구조체가 PCB이다.

프로세스를 제어하기 위해 프로세스에 대한 메타정보를 따로 저장해둬야 한다. 프로세스 상태 관리와 문맥 교환을 위해 필요하며, 주기억장치에 유지된다.
각 프로세스가 생성될 때마다 고유한 PCB가 생성되고, 프로세스가 완료되면 PCB는 제거된다.

PCB에 포함되는 정보

• PID (프로세스 ID)
• PPID (Parent PID)
• Process State
• UID/GID (사용자/그룹 ID)
• Program Counter: 다음 Instruction의 주소를 저장하는 카운터. CPU는 이 값을 통해 프로세스의 Instruction을 수행한다.
• Register
• CPU Scheduling Information: 우선순위, 최종 실행시간, CPU 점유시간 등
• Memory Information: 해당 프로세스 주소 공간 정보를 저장
• Process Information: 페이지 테이블, 스케줄링 큐 포인터 등
• Device I/O Status: 프로세스에 할당된 입출력 장치 목록
• Pointer: 부모/자식 프로세스에 대한 포인터, 자원에 대한 포인터 등
• Open File List: 프로세스를 위해 열려있는 파일의 리스트

등..

 

/proc/<PID>/status를 열어보면 PCB의 일부를 확인할 수 있다.

 

 

프로세스 상태 전이

프로세스는 실행 중 다양한 상태를 오가며 동작한다.

상태 종류

• New: 프로세스가 막 생성된 상태. fork() 호출 직후, PCB를 생성하는 단계
• Ready: 프로세스가 CPU에 실행되기 위해 대기하는 상태. 실행 가능한 상태지만 CPU 스케줄러가 아직 CPU를 배정해주지 않은 상태로 준비 큐에 들어가 있음
• Running: CPU 코어가 실제로 프로세스를 실행하는 순간. 한 코어 당 한 프로세스만 실행이 가능함
• Waiting (=Blocked): 프로세스가 특정 자원이나 이벤트를 기다리는 상태 (ex. 디스크 I/O 기다리는중, 네트워크 응답 기다리는중, sleep() 호출 등..)
• Terminated: 프로세스가 exit()를 호출해 종료되었지만 PCB가 아직 부모의 wait() 호출을 기다리고 있는 상태. Zombie라고도 부름

 

상태 전이 동작

• Dispatch (Ready → Running): 우선순위가 높은 프로세스를 선정하여 명령어를 실행함
• Time runout (Runnig→ Ready): 할당된 CPU time slice를 다 썼을 때 스케줄러가 인터럽트를 발생시켜 프로세스 제어권을 빼앗음
• Block (Running → Waiting): I/O 요청 등으로 CPU 사용을 중단하고 대기 상태로 이동함
• Wake Up (Wait → Ready): 작업이 완료되어 프로세스가 대기 상태에서 준비 상태로 전이되는 과정

 

fork()란?

부모 프로세스가 자기 복사본(자식 프로세스)을 만드는 시스템 호출
fork()를 통해 PCB 및 PID가 생성된다.

 

프로세스는 단순히 실행 중인 프로그램이 아니다. 프로그램 코드가 메모리에 올라가고, OS가 PCB를 통해 상태를 추적하고, 스케줄러가 CPU를 배정하며, 프로세스는 상태 전이를 반복하면서 동작한다.
운영체제는 수많은 프로세스가 효율적으로 실행되도록 메모리, CPU, 파일, I/O 등 모든 자원을 관리한다.