프로세스

프로그램 실행과정

process

• 컴퓨터에서 실행 중인 프로그램
Q. 실행 중 ?
A. 하드디스크에서 메모리(RAM)에 파일이 올라온 상태 CPU 점유한 거 ❌ 
개인적으론, 프로세스는 RAM에 올라온 프로그램

• PCB(process control block)
• 프로세스를 관리하는 구조체, 운영체제로부터 CPU를 할당받는 작업의 단위였음(현재는 스레드)
• 구성



• process id : 고유한 아이디
• process state : 프로세스의 상태 - running, waiting, ready, terminated (프로세스 생명주기 중 하나)
• Register
• Program Counter : 다음 실행할 명령어의 주소
• 이 외에도
• CPU 스케줄링 정보: 우선순위, 점유시간..
• 입출력 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력 장치목록, 열린파일 목록..
• 포인터: 부모프로세스, 자식 프로세스…

• 프로세스 생명주기 (프로세스 상태를 기준으로)



• new : RAM으로 올라와 PCB 생성 중인 상태
• ready : CPU 점유만 받으면 실행할 수 있는 상태(CPU 점유받지 못한 상태)
• ready queue로 관리함
• running : CPU가 실행하고 있는 상태
• waiting : I/O 같은 이벤트 발생 시(EX, 파일읽기), 이벤트가 끝날 때까지 기다리는 상태 - 끝난 후엔, 인터럽트를 통해 끝났다는 걸 알려주고, ready 상태로 돌아가 cpu를 기다림
• terminated : 프로세스 실행 끝난 상태

• 특징
독립된 메모리 공간을 할당받음



• 다른 프로세스의 자원(변수, 함수 등)에 접근할 수 없음
• 접근하려면, 프로세스간의 통신을 사용해야함

• 프로세스 통신 IPC (inter-process commnunication)
• 왜 필요할까? 서로 통신해야하는 경우가 있을 수 있음
EX 채팅 - 상대방 메시지, 내가보낸 메시지 둘 다 보여줘야함 → 상대방, 나의 메시지를 각각의 프로세스로 관리하면, 엄청난 프로세스 통신이 필요함 (메시지를 독립적인 메모리에 저장하니까) → 메모리를 공유하는 프로세스인 스레드 등장 !
• 방법



• 메시지 교환(message passing) 그림 왼쪽
운영체제 커널을 통해 메시지(데이터 등)를 주고받음
• direct communication
메시지 보낼 대상을 정함 → 다른 프로세스가 메시지를 받음
• indirect commnunication
mailboxes에 메시지를 보냄 → 다른 프로세스가 mailboxes에 접근해 메시지를 받아옴
• 공유 메모리(shared memory) 그림 오른쪽
통신이 필요한 프로세스 모두 접근할 수 있는 공유 메모리를 할당해서, 통신하는 방법
- 문제점 : 동기화

• 컨텍스트 스위칭
• CPU에서 실행중인 프로세스/스레드가 다른 프로세스/스레드로 교체되는 것 ← OS커널이 제어
• 현재 프로세스 상태를 보관
• 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스 동작 & 그 프로세스의 이전 상태 복구
• 컨텍스트 스위칭이 필요한 이유?
(싱글코어를 기준으로) 여러 프로세스를 동시에 실행시키기 위해 (옛날엔, 1개의 프로세스가 끝난 후에 다른 프로세스 실행…😖)
• 언제 발생할까?
• 주어진 cpu 할당시간을 다 사용한 경우
• I/O 작업, 이용 중인 리소스 기다려야할 때.. 등등 → 지금 당장 실행할 수 없는 경우, 기다리는 시간동안 다른 프로세스를 돌린다 (CPU사용률 높임)
 
Q 프로세스 컨텍스트 스위칭, 스레드 컨텍스트 스위칭(같은 프로세스의 스레드라 가정) 중에 누가 더 빠를까? 그 이유는 ?
• 프로세스는 독립적인 메모리영역을 가짐 →메모리 주소 처리가 추가로 필요함
• 간단한 개념 정의
• MMU: memory management unit, 메모리 관리장치 - 가상메모리 주소 → 물리주소
• TLB: MMU의 일부 - 가상메모리 주소와 물리주소 맵핑하는 페이지 테이블 중, 자주 쓰는 것 저장해두는 캐시
• 메모리 주소관련 처리를 추가로 수행
1. MMU가 P1 → P2(프로세스)메모리를 바라보도록 변경
2. TLB를 전체 비움 (P2로 컨텍스트 스위칭을 했으니 P1의 자주쓰는 페이지 물리주소 정보를 지워야함. 안그러면 P1에 접근할 수 있음. 왜냐면 CPU가 TLB → 페이지 테이블 → 하드디스크로 접근하니까)
• 컨텍스트 스위칭이 발생하면, CPU 캐시 오염(L1, L2)이 생길 수 있음 : 아예 다른 프로세스로 전환되면, 이전 프로세스의 캐시값들이 있음 → 메모리로 가는 상황 많아짐 → 전환 후, 초기엔 성능 안좋을 수 있음
• CPU 캐시: 자주쓰는 주소값, CPU 캐시에 보관 (RAM에서 들고오는 것보다 빠름)
A 스레드 컨텍스트 스위칭이 더 빠르다. 그 이유는 메모리 주소 관련 처리를 하지 않기 때문에

프로세스의 단점

• 프로세스 간 독립적인 메모리를 할당받기에, 데이터 공유 까다로움

• 동시에 여러작업 수행시키기위해, 컨텍스트 스위칭 작업 → 프로세스 컨텍스트 스위칭 무거운 작업

참고자료

• 자료 및 이미지 출처 https://www.cs.uic.edu/~jbell/CourseNotes/OperatingSystems/3_Processes.html

• 인프런 공룡책 강의

• 유튜브 - 쉬운코드 https://www.youtube.com/@ez.

• 블로그 https://gwanhyeon.github.io/OS-20201116-OS-Process-Thread/
https://jhnyang.tistory.com/24