프로세스란?

[jimi567]

PCB, 메모리 영역(데이터 코드 힙 스택..) 프로세스 상태, 계층 구조(fork exec)

[3Juhwan]

프로세스

프로세스는 단순하게 '실행 중인 프로그램'를 의미한다. 정확히는 'OS에게 자원을 할당받은 최소 작업 단위'를 의미한다.

프로세스가 할당 받는 자원

프로세스가 생성되면 메모리의 커널 영역에 PCB를, 사용자 영역에는 힙/스택/데이터/코드 영역을 할당 받는다.

PCB (Process Control Block)
프로세스 제어에 필요한 정보를 저장한다. OS가 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 자원을 배분할 때 PCB를 사용한다.

• PID(Process ID): 프로세스를 식별하기 위해 부여한 번호다.
• 레지스터 값: 프로세스가 실행되기 위해 이전에 사용했던 레지스터의 중간 값을 복원해야 한다.
• 프로세스 상태: 현재 프로세스가 어떤 상태인지 기록되어야 한다. 상태는 생성/준비/실행/대기/종료 상태가 있다.
• CPU 스케줄링 정보: 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보다.
• 메모리 관리 정보: 프로세스가 메모리에 어떤 위치에 저장되었는지에 대한 정보다. 베이스 레지스터, 한계 레지스터, 페이지 테이블 정보 등이 담긴다.
• 사용한 파일과 입출력장치 목록: 프로세스가 사용한 파일과 할당받은 입출력장치에 대한 정보다.

메모리(사용자 영역)

• 코드 영역: 실행할 수 있는 코드, 기계어 명령어를 저장한다. CPU가 실행할 명령어로 읽기 전용 영역이다.
• 데이터 영역: 프로세스를 실행하며 할당되어 종료까지 유지되는 데이터 영역이다.
• 힙 영역: 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당 및 해제된다. 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당한다.
• 스택 영역: 데이터를 일시적으로 저장하는 공간이다. 함수 실행에 따라 할당되는 매개 변수, 지역 변수가 예시이다.

프로세스 상태

CPU는 빠른 속도로 프로세스를 번갈아 가며 실행한다. 이에 따라 프로세스는 여러 상태를 거치며 실행된다. 운영체제는 PCB를 통해 프로세스 상태를 확인하고 관리한다.

• 생성 상태: 프로세스가 생성 중인 상태로 운영체제에게 PCB를 할당받은 상태다. 생성이 완료되면 준비 상태로 이동한다.
• 준비 상태: CPU 할당을 기다리는 상태다. 자신의 차례가 오면 실행 상태로 이동한다.
• 실행 상태: CPU를 할당받아 실행 중인 상태다. CPU는 일정 시간만 사용할 수 있고, 할당받은 시간이 지나면 타이머 인터럽트가 발생하여 다시 준비 상태로 이동한다. 실행 도중 입출력장치를 사용한다면 대기 상태로 이동한다.
• 대기 상태: 입출력장치의 작업을 기다리는 상태다. 입출력 작업이 완료되면 대기 상태로 이동한다.
• 종료 상태: 프로세스가 종료된 상태다. 운영체제는 PCB와 사용한 메모리를 정리한다.

프로세스 계층 구조

프로세스는 실행 도중에 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있다. 기존 프로세스는 부모 프로세스, 새로 생성된 프로세스는 자식 프로세스라고 한다. PCB에 부모 프로세스의 PID인 PPID가 기록되기도 한다.

• fork(): 자식 프로세스를 생성하는 시스템 호출이다. 부모 프로세스의 자원들을 상속 받지만 저장된 메모리 위치는 다르다.
• exec(): 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체하는 시스템 호출이다. 코드 영역과 데이터 영역은 기존 메모리 내용을 덮어쓰고, 힙 영역과 스택 영역은 초기화한다.

fork()를 실행하고 exec()는 실행하지 않는다면 동일한 프로세스가 병행하여 실행된다.