[OS] 프로세스의 개념(Process Concept)

학습중인 교재

프로세스 개념(Process Concept)

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우리가 운영체제를 논의할 때 한 가지 장애는 모든 CPU 활동들을 어떻게 부를 것인가 하는 데에 의문이 있습니다. 초창기 컴퓨터는 작업(job)을 실행하는 일괄처리 시스템이었고, 사용자 프로그램 또는 태스크(task)를 실행하는 시분할 시스템이 뒤를 이었습니다. 단일 사용자 시스템에서도 사용자는 워드 프로세서, 웹 브라우저 및 전자 메일 패키지와 같은 여러 프로그램을 한 번에 실행할 수 있습니다. 또한 다중 태스킹을 지원하지 않는 임베디드 장치에서와 같이 컴퓨터가 한 번에 하나의 프로그램만 실행할 수 있더라도 운영체제는 메모리 관리와 같은 자체 프로그램된 내부 활동을 지원해야 할 수도 있습니다. 여러 측면에서 이러한 모든 활동은 유사하므로 이러한 모든 활동을 프로세스라고 부를 수 있습니다.
우리는 개인적으로 더 현대적인 용어인 프로세스를 선호하지만, 운영체제의 주요 활동이 작업 처리인 시절에 많은 운영체제 이론 및 용어가 개발되었기 때문에 작업(job)이라는 용어는 역사적으로 중요한 의미가 있습니다. 따라서 일부 적절한 경우 운영체제의 역할을 설명할 때 작업을 사용합니다. 예를 들어, 프로세스가 작업이라는 용어를 대체했다는 이유만으로 작업(예: 작업 스케줄링)이라는 단어를 포함한 일반적으로 통용되는 용어를 사용하지 않는 것은 오해의 소지가 있습니다.

(1) 프로세스(The Process)

비공식적으로, 프로세스란 실행 중인 프로그램입니다. 프로세스의 현재 활동의 상태는 프로그램 카운터 값과 프로세서 레지스터의 내용으로 나타냅니다. 프로세스의 메모리 배치는 일반적으로 여러 섹션(영역)으로 구분되며 아래의 이미지에 나타나 있습니다.

프로세스 메모리 배치

이러한 섹션(영역)에는 다음이 포함됩니다.

• 텍스트 섹션: 실행 코드
• 데이터 섹션: 전역 변수
• 힙 섹션: 프로그램 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리
• 스택 섹션: 함수를 호출할 때 임시 데이터 저장장소(예: 함수 매개변수, 복귀 주소 및 지역 변수)

텍스트 및 데이터 섹션의 크기는 고정되기 때문에 프로그램 실행 시간 동안 크기가 변하지 않습니다. 그러나 스택 및 힙 섹션은 프로그램 실행 중에 동적으로 줄어들거나 커질 수 있습니다. 함수가 호출될 때마다 함수 매개변수, 지역 변수 및 복귀 주소를 포함하는 활성화 레코드(activation record)가 스택에 푸시됩니다. 함수에서 제어가 되돌아오면 스택에서 활성화 레코드가 팝 됩니다. 마찬가지로 메모리가 동적으로 할당됨에 따라 힙이 커지고 메모리가 시스템에 반환되면 축소됩니다. 스택 및 힙 섹션이 서로의 방향으로 커지더라도 운영체제는 서로 겹치지 않도록 해야 합니다.
우리는 프로그램 그 자체는 프로세스가 아님을 명시해야 합니다. 프로그램은 명령어 리스트를 내용으로 가진 디스크에 저장된 파일(실행 파일이라고 불림)과 같은 수동적인 존재(passive entity)입니다. 이와는 대조적으로 프로세스는 다음에 실행할 명령어를 지정하는 프로그램 카운터와 관련 자원의 집합을 가진 능동적인 존재(active entity)입니다. 실행 파일이 메모리에 적재될 때 프로그램은 프로세스가 됩니다. 실행 파일을 메모리에 적재하는 일반적인 두 가지 방식은 실행 파일을 나타내는 아이콘을 더블 클릭하는 방식과 명령어 라인상에서 prog.exe 또는 a.out과 같이 파일 이름을 입력하는 방식입니다.
두 프로세스들이 동일한 프로그램에 연관될 수 있지만, 이들은 두 개의 별도의 실행 순서로 간주합니다. 예를 들어, 여러 사용자가 메일 프로그램의 서로 다른 복사본을 실행하거나, 또는 동일 사용자가 웹 브라우저 프로그램의 여러 복사본을 호출할 수 있습니다. 이들 각각은 별도의 프로세스이며, 텍스트 섹션이 동등하다 할지라도 데이터, 힙 및 스택 섹션은 다를 수 있습니다. 프로세스가 실행되는 과정에서 많은 프로세스를 생성하는 것이 보통입니다.
프로세스 자체가 다른 개체를 위한 실행 환경으로 동작할 수 있다는 사실에 주목해야 합니다. Java 프로그래밍 환경이 좋은 예를 보여줍니다. 대부분의 상황에서 실행 가능한 Java 프로그램은 Java 가상 기계(JVM) 안에서 실행됩니다. JVM은 적재된 Java 코드를 해석하고 그 코드를 대신하여 원 기계어를 이용하여 행동을 취하는 프로세스로서 프로그램을 실행합니다. 예를 들어, 컴파일된 Java 프로그램 Program.class를 실행하기 위해 다음과 같이 명령을 입력할 것입니다.

java Program

java 명령어는 JVM을 보통의 프로세스처럼 실행시키고, JVM은 Java 프로그램 Program을 가상기계 안에서 실행합니다. 이 개념은 다른 기계어로 작성된 프로그램이 아니라 Java 언어로 작성된 프로그램을 실행시킨다는 점을 제외하면 모의실험과 동일한 개념입니다.

(2) 프로세스 상태(Process State)

프로세스는 실행되면서 그 상태가 변합니다. 프로세스의 상태는 부분적으로 그 프로세스의 현재의 활동에 따라서 정의됩니다. 프로세스는 다음 상태 중 하나에 있게 됩니다.

• 새로운(new): 프로젝트가 생성 중이다.
• 실행(running): 명령어들이 실행되고 있다.
• 대기(wating): 프로세스가 어떤 이벤트(입출력 완료 또는 신호의 수신 같은)가 일어나기를 기다린다.
• 준비(readty): 프로세스가 처리기에 할당되기를 기다린다.
• 종료(treminated): 프로세스의 실행이 종료되었다.

이들 이름은 임의적이고, 운영체제마다 변합니다. 그렇지만, 이들이 나타내는 상태들은 모든 시스템에서 찾아볼 수 있습니다. 또한 어떤 운영체제는 프로세스 상태를 더욱 자세하게 묘사하여 구별합니다. 어느 한순간에 한 처리기 코어에서는 오직 하나의 프로세스만이 실행된다는 것을 인식하는 것이 중요합니다. 그렇지만, 많은 프로세스가 준비 완료 및 대기 상태에 있을 수 있습니다. 아래 이미지는 이들 상태에 해당하는 상태 다이어그램(state diatgram)입니다.

프로세스 상태 다이어그램

(3) 프로세스 제어 블록(Process Control Block)

각 프로세스는 운영체제에서 프로세스 제어 블록(process control block, PCB)(태스크 제어 블록이라고도 불립니다)에 의해 표현됩니다. 아래 이미지는 PCB를 나타냅니다.

프로세스 제어 블록(PCB)

프로세스 제어 블록은 특정 프로세스와 연관된 여러 정보를 수록하며, 다음과 같은 것들을 포함합니다.

• 프로세스 상태: 상태는 새로운(new), 준비(ready), 실행(running), 대기(waiting) 또는 정지(halted) 상태 등이다.
• 프로그램 카운터: 프로그램 카운터는 이 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킨다.
• CPU 레지스터들: CPU 레지스터는 컴퓨터의 구조에 따라 다양한 수와 유형을 가진다. 레지스터에는 누산기(accumulator), 인덱스 레지스터, 스택 레지스터, 범용(general-purpose) 레지스터들과 상태 코드(condition code) 정보가 포함된다. 프로그램 카운터와 함께 이 상태 정보는, 나중에 프로세스가 다시 스케줄 될 때 계속 올바르게 실행되도록 하기 위해서 인터럽트 발생 시 저장되어야 한다.
• CPU-스케줄링 정보: 이 정보는 프로세스 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터와 다른 스케줄 매개변수를 포함한다.
• 메모리 관리 정보: 이 정보는 운영체제에 의해 사용되는 메모리 시스템에 따라 기준(base) 레지스터와 한계(limit) 레지스터의 값, 운영체제가 사용하는 메모리 시스템에 따라 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함한다.
• 회계(accounting) 정보: 이 정보는 CPU 사용 시간과 경과된 실시간, 시간 제한, 계정 번호, 잡 또는 프로세스 번호 등을 포함한다.
• 입출력 상태 정보: 이 정보는 이 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일의 목록 등을 포함한다.

요약하면 프로세스 제어 블록은 약간의 회계 데이터와 함께 프로세스를 시작시키거나 다시 시작시키는 데 필요한 모든 데이터를 위한 저장소의 역할을 합니다.

(4) 스레드(Threads)

이제까지 정리한 프로세스 모델은 프로세스가 단일의 실행 스레드를 실행하는 프로그램임을 암시했습니다. 예를 들면, 만일 한 스레드가 워드 프로세서 프로그램을 실행 중이면, 실행되는 명령어의 단일 스레드가 존재합니다. 이 단일 제어 스레드는 프로세스가 한 번에 단지 한 가지 일만 실행하도록 허용합니다. 따라서 사용자는 문자를 입력하면서 동시에 철자 검사기를 실행할 수 없습니다. 대부분의 현대 운영체제는 프로세스 개념을 확장하여 한 프로세스가 다수의 실행 스레드를 가질 수 있도록 허용합니다. 그들은 따라서 프로세스가 한 번에 하나 이상의 일을 수행할 수 있도록 허용합니다. 이러한 특성은 다중 처리기 시스템에서 이익을 얻을 수 있는데, 여러 스레드가 병렬로 실행될 수 있습니다. 예를 들어, 다중 스레드 워드 프로세서는 하나의 스레드에 사용자 입력 관리를 맡기는 동안 다른 스레드가 철자 검사기를 수행하도록 만들 수 있습니다. 스레드를 지원하는 시스템에서는 PCB는 각 스레드에 관한 정보를 포함하도록 확장됩니다. 스레드를 지원하기 위해서는 시스템 전반에 걸친 다른 수정도 필요합니다.