무작정 운영체제를 공부하다가
스마트폰이나 컴퓨터에서 음악을 들으면서 네이버에서 검색을 하고 도중에 온 카카오톡 메시지를 보는 건 너무 당연한 일입니다.
그러나 컴퓨터의 세상에서 여러개의 프로세스가 동시에 실행되는 건 놀라운 일입니다.
하나의 CPU 즉 프로세서는 한 순간에 하나의 프로세스만 실행될 수 있기 때문이죠.
프로세스 : 실행중인 프로그램.
프로그램 자체에는 생명이 없습니다. 프로그램은 보조 기억장치(하드디스크, SSD)에 존재하며 실행되기를 기다리는 명령어(코드)와 정적인 데이터의 묶음입니다. 이 프로그램의 명령어와 정적데이터가 메모리에 적재되면 생명이 있는 프로세스가 됩니다.
용어 참고
https://donotknowwhat.tistory.com/192
Q. 어떻게 여러개의 프로세스가 동시에 실행 될 수 있을까?
프로세스가 동시에 여러개가 실행될 수 있는 이유는 운영체제가 엄청나게 빠르게 CPU가 실행될 프로세스를 교체하고 있기 때문입니다.
교체가 수십번에서 수천번 일어나기 때문에 사람들은 여러개의 프로세스가 동시에 실행되고 있는 것 처럼 느끼는 것이죠.
Q. 어떻게 운영체제는 프로세스를 교체할까?
프로세스의 구성요소와 프로세스 관리가 어떻게 되는지 이해한다면 위 질문에 대한 답을 할 수 있을 것으로 생각됩니다.
프로세스의 구성
프로세스에 대한 정보는 PCB(프로세스 제어블록, Process Control Block) 또는 프로세스 기술자(Process Descriptor)라고 부르는 자료구조에 저장됩니다. 이 자료구조는 크게 다음과 같은 정보를 담고있습니다.
PID (Process ID)
각각의 프로세스들을 구분하는 고유 식별자
프로세스 상태
CPU는 프로세스를 빠르게 교체하면서 실행하기 때문에 실행중인 프로세스도 있으며 대기중인 프로세스도 있습니다.
그러한 프로세스의 상태를 저장합니다.
프로그램 카운터 (Program Counter)
CPU가 다음으로 실행할 명령어를 가리키는 값입니다. CPU는 기계어를 한 단위씩 읽어서 처리하는데 프로세스를 실행하기 위해 다음으로 실행할 기계어가 저장된 메모리 주소를 가리키는 값입니다.
스케줄링 우선순위
운영체제는 여러개의 프로세스를 동시에 실행하는 환상을 제공합니다.
운영체제가 여러개의 프로세스가 CPU에서 실행되는 순서를 결정하는 것을 스케줄링이라고 합니다.
이 스케줄링에서 우선순위가 높으면 먼저 실행될 수 있는데 이를 스케줄링 우선순위라고 합니다.
권한
프로세스가 접근할 수 있는 자원을 결정하는 정보입니다. 안드로이드 앱을 예로 들면 아무 앱이나 휴대폰 통화내역을 볼 수 있는 권한을 가지면 이를 악의적으로 이용하는 앱이 등장하겠죠? 그래서 프로세스마다 어디까지 접근할 수 있는지에 대한 권한이 필요합니다.
프로세스의 부모와 자식 프로세스
최초로 생성되는 init 프로세스를 제외하고 모든 프로세스는 부모 프로세스를 복제해서 생성되고 이 계층관계는 트리를 형성합니다. 그래서 각 프로세스는 자식 프로세스와 부모프로세스에 대한 정보를 가지고 있습니다.
프로세스의 데이터와 명령어가 있는 메모리 위치를 가리키는 포인터
프로세스는 실행중인 프로그램입니다. 따라서 프로그램에 대한 정보를 가지고 있어야합니다. 프로그램에 대한 정보는 프로세스가 메모리에 가지는 자신만의 주소 공간에 저장됩니다. 이 공간에 대한 포인터 값을 가집니다.
프로세스 관리
Q. 프로세스는 어떻게 관리될까?
1. 사용자가 프로그램을 실행하면 프로세스가 생성되고 준비리스트에 추가됩니다.
2. 프로세스는 프로세서(CPU)가 사용가능한 상태가 되면 CPU를 할당받습니다. 이를 준비상태에서 실행상태로 상태전이가 된다라고 하고 이 과정을 Dispatch라고 합니다.
3. 이제 프로세스는 실행상태에서 CPU를 이용해 연산한 후 CPU를 자발적으로 반납하고 작업이 끝나지 않았으면 다시 준비 상태로 돌아갑니다. 운영체제는 다시 준비리스트의 첫번째에 있는 프로세스를 실행상태로 바꾸고 이 과정을 반복합니다.
운영체제는 프로세스가 CPU를 자발적으로 반납하지 않고 독점하는 경우를 방지하기 위해 하드웨어적으로 인터럽팅 클록을 주기적으로 발생시켜 프로세스가 특정 시간 간격동안만 실행할 수 있도록 합니다. 인터럽팅 클록(Interrupt Clock)이 발생되면 강제로 실행중인 프로세스의 CPU제어권을 운영체제에게 빼앗기고 프로세스는 준비상태로 상태 전이 됩니다.
만약 프로세스를 다시 사용하기 전에 입출력이 완료대기를 기다려야 하는 상황이라면 완료될때까지 자신을 대기(블록)합니다.
입출력이 완료되면 운영체제가 프로세스를 블록상태에서 준비상태로 다시 전이시킵니다.
References
운영체제론, 송정희 옮김, 한빛미디어(2009)
[운영체제] 프로세스가 뭐지? - 멍멍멍 (tistory.com)
