CS 강의 3. 프로세스 생명주기와 프로세스 메모리

출처 : 내일배움캠프

 

0. 프로그램과 프로세스

0-1. 프로그램이 저장되어 있는 곳 : 보조 기억장치

0-2. 프로그램이 로딩되는 곳 : 주 기억장치

0-3. 프로그램을 실행하는 주체 : 프로세스

0-4. 작업을 처리해주는 주체 : 쓰레드  ~ 스레드는 필요시마다 생성되며, 프로세스 상세의 수는 최근 평균 쓰레드 개수 통계값

0-5. 프로세스 상태변화 복습

https://cdaosldk.tistory.com/264

CS 강의 2. CPU와 메모리 심화

1. 프로세스 생명주기

프로세스 생명주기 = 프로세스 상태변화

각 원은 프로세스의 상태를 의미하며, 화살표(상태변화동작)에 따라 상태가 변화한다

1 - 1. 프로세스 상태

1) 신규

- 프로세스가 메인 메모리에 올라온 상태

- 실행 불가능

- 수용을 거쳐야 준비단계로 넘어갈 수 있다

2) 준비

- 변수 초기화 등 기초 준비작업을 모두 끝내고 실행할 수 있는 상태

- 스케줄러를 통해 발송되어야 수행 상태가 된다

- 신규 프로세스가 수용/ 대기 프로세스의 입출력,이벤트가 완료/ 수행 프로세스의 중단

3) 수행

- CPU가 실제로 프로세스를 수행하고 있는 상태

- 선점 스케줄링에 의해 중단되면 준비

- 입출력/ 이벤트 필요시 대기

- 수행 완료시 종료

- 준비 프로세스가 스케줄러를 통해 발송

ex)

수행 -> 준비 : CPU 과부화

수행 -> 대기 : I/O나 event wait가 있는 경우, 이후 입출력/이벤트 종료시 준비 상태로 복구

4) 대기

- 프로세스 도중 입출력 작업이 필요하며 입출력 작업을 수행하는 상태

- CPU는 I/O 대기와 동시에 다른 프로세스를 수행한다

- 대기 상태가 끝나면 프로세스는 다시 준비상태가 되고, 잠시 후 다시 수행 상태가 된다

5) 종료

- 프로세스 종료 ~ 사용하던 메모리 영역 해제

cf) 시공유 시스템에선 수행 상태에서 할당된 시간이 만료되면 대기 상태를 거치지 않고 바로 준비 상태로 변할 수 있다. 중단과 같이 동작한다

 

1 - 2. 대기 큐

https://gusdnd852.tistory.com/82

1) Job Queue

HDD에 있던 프로그램이 메모리로 올라올 때, 메인 메모리가 가득 찼거나 CPU가 다른 작업을 수행하고 있다면 HDD의 프로그램이 대기하는 장소

2) Ready Queue

메인 메모리에 프로그램이 올라온 후에도 대기하는 경우가 발생하는 데, 이런 경우에 레디 큐에서 대기한다. 먼저 수행되던 다른 프로그램이 I/O를 시작해 대기 상태가 되거나 시공유 시스템의 경우 기존 프로세스 시간초과시 큐에 있던 프로그램이 실행된다

3) Device Queue

I/O 장치를 이용하기 위해 기존 수행되고 있던 I/O 작업이 끝나는 것을 대기하는 장소로 각 I/O 장치는 고유한 대기 장소를 가지고 있으며, 이를 통칭해 Device Queue라고 한다

 

cf) 종료를 대기하는 큐는 없다

 

1 - 3. 스케줄링

1) Job Scheduler

Job Queue의 프로그램 순서를 결정하는 스케줄러. 이에 따라 메모리에 프로그램이 올려지며, 프로그램이 새로 시작하는데 메인 메모리가 가득찬 경우에만 발생하므로, 빈도가 높지 않다(수분 ~ 수십분)

cf) Long Term Scheduler : 긴 간격으로 동작하는 스케줄러를 이르는 말

2) CPU Scheduler

Ready Queue의 프로세스 순서를 결정하는 스케줄러. 모든 스케줄러 중 가장 중요하다

cf) Short Term Scheduler : 시공유 시스템의 경우 1초에도 수십, 수백번 발생하기 때문에 S.T.S로 부른다

3) Device Scheduler

Device Queue의 프로세스 순서를 결졍하는 스케줄러로 각 I/O 장치별 큐를 통칭한다

 

I/O Bound Process vs CPU Bound Process

I/O Bound Process : 대부분의 시간을 I/O하는 데 쓰는 프로세스를 의미

CPU Bound Process : 대부분의 시간을 CPU로 연산하는데 쓰는 프로세스를 의미

~ 운영체제(Job Scheduler)는 성능을 위해 두 프로세스를 적절하게 조합해야 한다

 

1 - 4. 주-보조 교환(Swapping)

1) Swapping

- 서버와 같이 여러 사용자가 하나의 메모리를 공유하는 경우 한 사용자가 프로세스를 입출력 등의 대기 상태를 지속하면 다른 사용자에게 할당되는 메모리 공간을 그만큼 적게 할당받으므로 효율적이지 못하다. PCB의 CPU Time 등을 확인해 오랫동안 동작이 없는 프로세스는 HDD로 보내고, 다른 프로세스를 실행하거나 기존 프로세스에 메모리를 더 할당하는 등 메모리를 더 효율적으로 사용한다

* Swap Out : 메모리에서 HDD로 보내는 작업

* Swap In : HDD에서 다시 메모리로 보내는 작업

- 임시 메모리 목적으로 Swapping에 사용되는 HDD 공간을 Backing Store 또는 Swap Device라고 한다

 

cf) Medium Term Scheduler

Swapping 순서를 결정할 때 사용하는 스케줄러로, Short과 Long의 중간 빈도로 발생하기 때문에 Medium으로 부른다. 또한 스케줄링 작업을 Medium Term Scheduling이라고 한다

 

1 - 5. 문맥 교환(Context Switching)

1) Context Switching

- 시공유 시스템의 경우 수행 중이던 프로세스에 할당된 시간이 만료되면 해당 프로세스는 준비 상태가 되고 다른 프로세스를 수행하는 프로세스의 교체를 Context Switching이라고 한다

2) Scheduler

CPU 스케줄러가 문맥 교환을 위한 스케줄링 작업을 담당한다(또한 레디 큐 스케줄링 작업도 수행)

3) Dispatcher

- 기존에 수행되던 프로세스의 수행 상태를 저장하고 있어야 다시 문맥 교환이 발생했을 때 작업을 이어할 수 있도록 하는 프로그램을 Dispatcher라고 한다

 

cf) 대부분의 운영체제는 CPU 시공유 시스템을 사용한다. 이를 통헤 여러 프로세스나 스레드가 동시에 실행되는 것처럼 보이지만, 실제로는 매우 빠르게 하나만 실행하고 있고, CPU는 가장 최적의 효율로 운영되고 있는 것이다

2. 프로세스 메모리

2 - 1. 프로세스의 메모리 구조

https://zangzangs.tistory.com/107

1) Code

실행할 프로그램의 코드가 저장된다. CPU는 Code에서 명령어를 하나씩 가져와 처리

2) Data

- 전역변수, 정적변수가 저장된다. 이 변수들은 프로그램 시작시 할당되고, 종료시 소멸된다

+ BSS : BSS에는 초기화되지 않은 전역변수가 저장된다. 초기화되는 Data 영역의 변수는 ROM에 저장되어 휘발성을 띄지 않으며, BSS의 변수는 초기화의 비용이 많이 들기 때문에 RAM과 ROM에 저장되는 것을 구분한다

3) Stack

- 호출된 함수의 수행이 끝나고 복귀할 주소 및 데이터(지역변수, 매개변수, 리턴값 등)를 임시로 저장하는 공간

- 함수 호출시 기록하고 함수 수행이 끝나면 소멸된다. Stack의 LIFO방식으로 저장/출력된다

- 컴파일할 때 Stack 영역의 크기가 결정되므로 무한 할당할 수 없다. 그래서 Stack 영역을 초과하는 재귀함수 호출 등의 예외가 Stack Overflow인 것이다

 

컴파일시 세 영역의 크기를 계산해 메모리 영역을 결정한다

 

4) Heap

- 동적 데이터 영역. 메모리 주소값에 의해서만 참조되고 사용된다. 프로그램 동작(런타임)시 크기가 결정된다

ex) Stack 영역에서 Pointer 변수를 할당하면, 그 변수가 가리키는 Heap 영역의 공간에 크기를 할당해 사용한다

- 자바에선 Heap 영역에 객체가 생성되고 쓰임이 다한 객체는 GC가 정리한다

 

2 - 2. 커널 프로세스의 메모리

1) 커널

대부분의 운영체제의 주 구성요소로, 컴퓨터 하드웨어와 프로세스를 연결하는 핵심 프로세스다. 메모리 관리, 하드웨어와 프로세스 사이 명령을 즉시 실행하는(인터프리터) 역할을 수행, 시스템의 호출이나 보안의 기능을 수행한다

~ 커널은 프로세스가 아닌 연결 인터페이스

+ OS의 응용 프로그램 강제 종료도 커널의 기능 중 하나다

 

2) 커널의 Code

- 시스템 콜, 중단(인터럽트) 처리 코드

- CPU, 메모리 등 리소스 관리를 위한 코드

- 편리한 인터페이스 제공을 위한 코드

 

3) 커널의 Data

- CPU, 메모리 등 하드웨어 자원을 관리하기 위한 자료구조를 저장

- PCB 자료구조 저장

~ 현재 수행 중인 프로세스의 상태, CPU 사용 정보 등을 유지하기 위한 자료구조

~ 프로세스 제어 블록은 각 프로세스에 대한 정보를 저장(주민등록증)하고 운영체제가 해당 프로세스를 관리하는 데 필요한 정보를 포함한다

~ 각 프로세스의 PCB는 운영체제 내부의 Process Management에서 관리하며, PC,Register,MMU정보,Process상태, CPU Time, PID 등을 포함하고 구조체와 같이 구성된다

1. 프로세스 식별자(Process ID, PID): PCB에는 각 프로세스를 고유하게 식별하는 번호나 식별자가 포함됩니다. 이를 통해 운영 체제는 특정 프로세스를 식별하고 관리할 수 있습니다.
2. 프로세스 상태(Process State): PCB에는 프로세스의 현재 상태가 저장됩니다. 프로세스가 실행 중, 대기 중, 준비 중, 종료 등 여러 상태 중 하나일 수 있습니다.
3. 프로그램 카운터(Program Counter, PC): 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 나타내는 정보입니다. 이 정보를 사용하여 다음 실행할 명령어를 찾아가고 프로세스를 재개할 수 있습니다.
4. 레지스터 상태(Register State): PCB에는 프로세스의 중요한 레지스터 값(예: CPU 레지스터)이 저장됩니다. 이는 프로세스가 다시 실행될 때 레지스터 값을 복원하는 데 필요합니다.
5. 프로세스 우선 순위(Process Priority): 프로세스 우선 순위는 운영 체제가 프로세스를 스케줄링할 때 사용되는 정보입니다. 높은 우선 순위를 가진 프로세스는 CPU 시간을 더 많이 할당받을 수 있습니다.
6. 메모리 관리 정보(Memory Management Information): PCB에는 프로세스의 메모리 할당과 관련된 정보가 포함됩니다. 예를 들어, 프로세스의 주소 공간 범위나 페이지 테이블 정보 등이 여기에 포함될 수 있습니다.
7. 입출력 상태(I/O State): 프로세스가 대기 중인 입출력 작업과 관련된 정보가 PCB에 저장됩니다. 이를 통해 입출력 작업이 완료되면 프로세스를 대기 상태에서 실행 가능한 상태로 전환할 수 있습니다.
8. 스케줄링 정보(Scheduling Information): PCB에는 프로세스의 스케줄링과 관련된 정보가 포함됩니다. 이 정보는 운영 체제가 프로세스를 스케줄링하고 우선 순위를 관리하는 데 사용됩니다.

 

4) 커널의 Stack

각 프로세스의 커널 Stack 저장한다. 프로세스는 함수 호출시 자신의 복귀 주소를 저장하지만, 커널은 커널 내의 주소가 복귀 주소로 저장된다. 커널 프로세스의 스택 크기는 일반 스택보다 같거나 크며, 각 프로세스마다 별도의 스택을 두고 관리한다

 

+ 커널은 Heap이 없다 : 운영체제의 동적메모리 할당을 위해 필요한 기능을 커널이 제공하는데, 커널 프로세스에도 힙이 생기게 되면,

1. 보안, 안정성 : 힙 메모리 할당은 프로세스 간 무제한으로 메모리 접근을 허용하기 때문에 커널 내부에서 관리하기 어렵다

2. 리소스 관리 : 운영체제의 자원을 관리할 때 힙 영역이 생기면 관리가 어려워진다

3. 프로세스 분리 : 커널과 사용자 프로세스 간 힙 영역이 혼합되는 경우 분리를 훼손하고 프로세스 간 간섭이 일어날 수 있다

4. 우선순위와 데드락 : 우선순위 스케줄링 및 데드락 회피 같은 운영체제 기능과 충돌할 수 있다