[OS] 3. 프로세스 개요 - PCB, 컨텍스트 스위칭

1. 프로세스

• 실행중인 프로그램
• 프로그램은 실행되기 전까지는 보조기억장치에 있는 데이터 덩어리일 뿐임

 

2. 프로세스 종류

• 포그라운드 프로세스
  • 사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스
  • 메모장, 웹브라우저, 게임 등
• 백그라운드 프로세스
  • 사용자가 볼 수 없는 공간에서 실행되는 프로세스
    • 사용자와 직접 상호작용이 가능한 백그라운드 프로세스
    • 사용자와 상호작용하지 않고 그저 정해진 일만 수행하는 프로세스(데몬, 서비스)

 

3. 프로세스 제어 블록

• 모든 프로세스는 실행을 위해 CPU가 필요하다
• 하지만 CPU 자원은 한정되어 있다
• 프로세스들은 돌아가며 한정된 시간 만큼만 CPU를 이용
  • 자신의 차례에 정해진 시간만큼 CPU 이용
  • 타이머 인터럽트가 발생하면 차례 양보
• 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스들을 관리해야함
• 이를 위해 사용하는 자료구조가 프로세스 제어 블록(이하 PCB)
  • 프로세스 관련 정보를 저장하는 자료 구조
  • 마치 상품에 달린 태그와 같은 정보
  • 프로세스 생성 시 커널 영역에 생성, 종료 시 폐기

 

4. PCB에 담기는 대표적인 정보

• 프로세스 ID (=PID)
  • 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호 (학교의 학번, 회사의 사번)
• 레지스터 값
  • 프로세스는 자신의 실행 차례가 오면 이전까지 사용한 레지스터 중간 값을 모두 복원 → 실행 재개
  • 프로그램 카운터, 스택 포인터 …
• 프로세스 상태
  • 입출력 장치를 사용하기 위해 기다리는 상태, CPU를 사용하기 위해 기다리는 상태, CPU 이용중인 상태…
• CPU 스케줄링 정보
  • 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을 지에 대한 정보
• 메모리 정보
  • 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보
  • 페이지 테이블 정보
• 사용한 파일과 입출력장치 정보
  • 할당된 입출력장치, 사용 중인(열린) 파일 정보PCB에 담기는 대표적인 정보

 

5. 컨텍스트 스위칭(문맥 교환)

• 한 프로세스(A)에서 다른 프로세스(B)로 실행 순서가 넘어가면? 어떤 작업을 거쳐야할까요?
• 기존에 실행되던 프로세스 A는 지금까지의 중간 정보를 백업
  • 프로그램 카운터 등 각종 레지스터 값, 메모리 정보, 열었던 파일, 사용한 입출력장치 등
  • 이러한 중간 정보 == 문맥(context)
  • 다음 차례가 왔을 때 실행을 재개하기 위한 정보
  • “실행 문맥을 백업해두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있다”
• 뒤이어 실행할 프로세스 B의 문맥을 복구
  • 자연스럽게 실행 중인 프로세스가 바뀜

이처럼 기존의 실행중인 프로세스 문백을 백업하고, 새로운 프로세스 실행을 위해 문맥을 복구하는 과정을 문맥 교환이라 한다

 

6. PCB가 커널 영역에 담긴다면, 프로세스가 사용자 영역에는 어떤 식으로 저장될까

• 크게 코드 영역(=텍스트 영역), 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역
• 코드 영역(=텍스트 영역)
  • 실행할 수 있는 코드, 기계어로 이루어진 명령어 저장
  • 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담기기에 쓰기가 금지된 영역(read-only)
  • 정적 할당 영역(크기가 고정되어있음)
• 데이터 영역
  • 잠깐 썼다가 없앨 데이터가 아닌 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터 저장
  • 전역 변수
  • 정적 할당 영역(크기가 고정되어있음)
• 힙 영역
  • 프로그램을 만드는 사용자, 즉 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간
  • 힙 영역에 메모리 공간을 할당했다면 언젠가는 메모리 공간을 반환해야하는데, 요즘은 프로그래밍 언어가 알아서 해주기도 함 (=가비지 컬렉션)
  • 동적 할당 영역
• 스택 영역
  • 데이터가 일시적으로 저장되는 공간
  • (데이터 영역에 담기는 값과는 달리) 잠깐 쓰다가 말 값들이 저장되는 공간
  • 매개 변수, 지역 변수
  • 동적 할당 영역

• 힙 영역과 스택 영역의 크기는 가변적임
  • 메모리 영역에 충돌이 일어날 수 있기 때문에 서로 다른 방향으로 채우도록 함
  • 일반적으로 힙 영역은 낮은 주소 → 높은 주소로 할당
  • 일반적으로 스택 영역은 높은 주소 → 낮은 주소로 할당

 

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『혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제』 강의 내용을 기반으로 작성된 글입니다