운영체제 프로세스 너 뭔데 .. .

0. 프로세스

프로세스는 실행중인 프로그램이다. 우리가 컴퓨터로 카톡이나 크롬을 실행하면 그 프로그램을 가지고 작업을 수행할 수 있다. 즉 이런 카톡이나 크롬 모두 프로세스이다. 그런데 이제 우리는 컴퓨터로 웹서핑을 하겠다고 의도적으로 크롬 하나만 띄워놓고 하지 않는다. 노래를 들으면서 웹서핑을 하겠다면 음악 프로그램도 실행시켜놓고 사용한다. 즉, 보통 여러 프로세스가 동시에 실행되는 구조이다.

 

그래서 이번 포스팅에서는 다음과 같은 것들을 알아보려고 한다.

1. 그래서 프로세스가 뭔데..?
2. 프로세스 동시에 실행되기 위해서는 뭐가 필요할까?

 

 

1. 프로세스 너 뭔데 ...

보통 프로그램은 디스크에 고이 잠들어 있는 코드+데이터 덩어리이다. 이 프로그램이 실행되기 위해서는 일단 메모리에 올라와야 되고, CPU가 일하기 위한 준비들을 모두 마쳐야 한다. 이 작업들이 끝났을 때 우리는 프로세스라고 명칭한다. 즉, 프로그램은 수동적 존재(passive entity) 이지만 프로세스는 실행중이거나 실행 가능한 활성 존재(active entity) 이다.

 

이를 비유적으로 설명하면, 프로그램은 냉동 만두와 유사하다. 냉동 만두는 냉동고(디스크)에 들어있는 재료(코드 + 데이터)가 뭉쳐진 상태이다. 하지만 이 냉동 만두를

1. 냉동고(디스크)에서 꺼내서
2. 찜기(메모리)에 올리고
3. 불을 올려 조리를 시작하거나 조리할 준비를 마치면(CPU 할당)

활성화된 상태의 만두, 즉 프로세스가 되는 것이다.

 

 

1 - a. 프로세스 주소 공간 = 프로세스 메모리 배치

프로세스가 실행중인 프로그램이라고 했다. 우리가 프로세스를 실행할 때는 항상 특정한 기대값이 있다. 예를 들어 음악 프로그램을 실행했다면 '음악을 들을 수 있어야 한다'는 기대값이 있다. 운영체제는 이러한 기대값을 만족시키기 위해 프로세스가 필요로 하는 메모리 공간을 준비해주는데, 이것이 바로 프로세스 주소 공간이다.

 

프로그램이 프로세스가 되면, 메모리를 할당 받는다. 그러면 프로세스는 크게 4 섹션의 구성으로 메모리를 활용한다. 

 

요약

 

Text Segment

• 프로그램 실행에 필요한 코드들이 기계어 형태로 저장된다.
• 메모리에 한 번 올라가면 수정이 불가능하다. 즉, read only이다.
• 프로그램 실행 도중에 그 크기가 변화하지 않는다.

 

Data Segment

• 전역 변수 & Static 변수들이 포함된다. 따라서, 코드에서 전역 변수를 사용했다면 이 Data Segment를 참조하여 값을 활용한다.
• 프로그램 실행 도중에 그 크기가 변화하지 않는다.

 

Heap Segment

• 프로그램 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리가 이 영역을 차지하게 된다.
• 동적으로 할당된 것들을 정리하는 친구가 바로 Garbage Collector이고, 앱 실행 도중에 정해진 heap size를 초과하면 OOM이 발생한다.
• 메모리가 낮은 주소부터 ~ 높은 주소로 채워진다.
• runtime에 그 크기가 변화한다.

 

Stack Segment

• 함수 호출과 관련된 모든 데이터들이 담기게 된다.
• 그 예로 activation record가 있다. 함수가 호출되면 이 activation record가 스택에 push 되고, 종료되면 pop 된다. activation record에는 함수 호출 & 복귀가 원활히 이뤄지도록 필요한 데이터가 담긴다. 함수 매개변수, 지역 변수, 어디로 복귀해야 할지에 대한 주소값 등이 담긴다.
• 재귀 함수를 무한히 생성하게 되면, 너무 많은 activation record가 stack에 추가되어, stack overflow가 발생하는 것이다.
• 메모리가 높은 주소부터 ~ 낮은 주소로 채워진다.
• Compile Time에 Stack max size는 정해지지만, 그 안에서 얼만큼 사용하고 있는지는 runtime에 동적으로 변화한다.

 

 

1 - b. Heap & Stack Segment

Heap은 메모리의 주소값이 낮은 곳부터 높은 곳으로 데이터가 채워진다. 반면 Stack은 높은 곳부터 낮은 곳으로 데이터가 채워진다. 왜 이렇게 동작할까?

프로세스마다 운영체제가 정해주는 메모리 사용량이 있다. 여기서 텍스트, 데이터 Segment는 그 크기가 불변한다. 그럼 두 개는 제외하고 스택 & 힙을 최대한 효율적으로 사용해야 한다. 이때 Stack & Heap 영역이 반대 방향으로 growing 되면 어떤 장점이 있을까?

1. 미리 영역을 나누지 않아, 각자 필요한 만큼만 자유롭게 확장이 가능하다.
2. 꽉 채운다고 가정하면, 남는 공간 없이 메모리를 fully 활용할 수 있다.

 

 

1 - c. 프로세스 상태

 

그 유명한 프로세스 상태 다이어그램이다. 프로세스는 기본적으로 저 5가지의 상태를 가진다. 그러나 운영체제의 종류에 따라서 좀 더 세분화된 추가 상태를 가지기도 한다. 어쨌든 기본적으로 하나의 프로세스는 생성부터 종료까지 new, ready, running, waiting, terminated 중 하나의 상태를 가지게 된다. 그 state flow를 천천히 따라가보면 다음과 같다.

 

1. 프로세스가 생성 중이면 new 상태가 된다.
2. 프로세스가 생성되었고, cpu에 할당되기를 기다린다면 ready 상태이다.
3. ready 상태의 프로세스가 프로세스 스케줄러에 의해 선택되어 cpu에서 실행된다면 running 상태이다.
4. running 상태의 프로세스
   1. running 상태의 프로세스가 io event가 발생했다면 waiting 상태가 된다. io event가 종료되면, ready 상태로 돌아가서 cpu 할당을 기다린다.
   2. running 상태의 프로세스가 주어진 CPU 시간을 모두 소모했거나, interrupt가 발생했다면 ready 상태로 돌아간다. (엄밀히 말하면 interrupt service routine을 종료한 후 ready가 되는 것이다.)
5. running 상태의 프로세스가 해야 될 일을 모두 종료했다면 terminated 상태가 된다.

 

 

2. 멀티 프로세스

지금까지는, 프로세스 자체에 대해서만 알아봤다. 하지만 멀티 프로세스 환경에서의 프로세스 실행을 이해하기 위해서는 추가적인 개념이 필요하다. CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있다. 따라서, 동시에 여러개가 실행되는 것처럼 보여지려면 여러 프로세스를 번갈아가면서 아주 빠르게 실행해야 한다. 이렇게 이전에 실행하던 프로세스를 잘 보관하고, 새로운 프로세스를 실행하는 것을 Context Switching, 문맥 교환이라고 한다. 이때 앞서 언급한 activation record처럼 프로세스도 기다리다가 다시 실행 상태가 되었을 때, 어디서부터 재개할지에 대한 정보가 필요하다. 그래서 여기서 알아볼 개념은 Context Switching & PCB이다.

 

 

2 - a. Context Switching

먼저 Context Switching은 CPU 코어가 새로운 프로세스에게 붙어 일하게끔 하는 것을 말한다. 즉, CPU가 현재 실행 중인 프로세스에서 새로운 프로세스로 할당되는 데 필요한 모든 작업을 의미한다. 여기에 필요한 작업은 크게 두 가지이다.

1. 실행중이던 프로세스의 정보를 PCB 형태로 backup. (state save)
2. 실행할 프로세스의 정보를 PCB로부터 load. (state restore)

PCB는 뒤에서 설명할 것이지만, 프로세스의 정보라고 이해하면 된다. 이 두 가지 작업은 반드시 수행되어야 한다. 이 작업들이 실행되는 동안에는 시스템은 유용한 작업을 수행하지 못하므로, 이 시간은 순수한 오버헤드(overhead) 시간이다.

 

 

2 - b. Process Control Block

Process Control Block, 이하 PCB는 운영체제에서 프로세스의 정보를 나타낼 때 사용하는 자료 구조이다. 운영체제 수준에서 특정 프로세스를 이해할 때 필요한 모든 정보가 담기게 된다고 이해하면 된다. 멀티 프로세스 환경에서는 PCB가 반드시 필요하다. 왜냐하면 Context Switching이 일어나면, 대기중이던 프로세스를 재개하게 된다. 이때 이 정보들을 활용하기 때문이다.

 

비유하자면, PCB는 Context Switching이 일어날 때를 위한 세이브 포인트이다. 나중에 유저가 resume할 때를 위해 어디까지 실행했는지를 기록하기 위한 자료구조이다.

 

PCB에는 다음과 같은 정보들이 담기게 된다.

• 프로세스 상태: 앞에서 언급한, 프로세스의 현재 상태 정보를 나타낸다.
• 프로세스 ID: 프로세스 unique ID. (PID라고 불림.)
• 프로그램 카운터: 프로세스는 active entity이므로, 다음으로 실행할 명령어가 있다. 프로그램 카운터에는 다음으로 실행할 명령어의 주소값이 들어가 있다.
• CPU registers: 프로세스는 명령어들을 실행하면서 수많은 연산을 진행한다. 이 연산값들 중 일부는 속도를 위해 메모리에 저장하지 않고, CPU registers에 저장한다. 이 저장값들은 process가 대기 -> 재개될 때 다시 cpu registers에 복구할 수 있도록 PCB에 저장한다.

이외에도 더 많은 정보들이 담기지만, 중요한 것 위주로 추렸다.

 

 

2 - c. 멀티 프로세스 환경에서의 PCB

예를 들어, 멀티 프로세스 & 단일 CPU core가 있는 환경을 가정해보자. 이 환경에서는 여러 프로세스가 생성되지만, 실제로는 한 번에 하나의 프로세스만 실행될 수 있다. 이런 환경에서 운영체제는 각 프로세스의 상태(ready, waiting 등)를 정확하게 관리해야 한다. 운영체제는 이를 위해 PCB와 큐 개념을 사용하여 프로세스들을 관리한다.

 

 

운영체제는 크게 두 가지 종류의 큐를 사용한다. Ready Queue, Wait Queue인데, 각각은 Linked List로 구현되어 있다.

 

1️⃣ Ready Queue

• Ready Queue는 ready 상태의 프로세스들의 PCB가 담긴다.
• e.g. 프로세스가 ready 상태가 되면, 그 프로세스의 PCB가 Ready Queue에 들어가 CPU 할당 받기를 기다린다.

 

2️⃣ Wait Queue

• Wait Queue에는 wait 상태의 프로세스들의 PCB가 차례로 담긴다.
• e.g. 프로세스가 running 하다가 I/O event 등이 발생하여 waiting 상태로 바뀔 수 있다. 이때는 Waiting Queue에 PCB가 들어가 해당 작업이 마무리 될때까지 기다린다.
• Wait Queue는 I/O 장치별로 별도로 존재할 수 있다. (e.g. network i/o queue, disk i/o queue)

 

 

3. 정리하자면 . . .

처음 포스팅을 시작할 때 다음 두 가지 질문에 대해 답하고자 했다

1. 그래서 프로세스가 뭔데..?
2. 프로세스 동시에 실행되기 위해서는 뭐가 필요할까?

 

이 목표에 따라 정리해보면, 포스팅의 핵심 내용은 다음과 같다

1. 그래서 프로세스가 뭔데..?
   • 프로세스는 실행중인 프로그램이다.
   • 프로세스는 자신만의 메모리를 할당받는다.
   • 운영체제에서 정의한 프로세스 상태 중 하나를 가진다.
2. 프로세스가 동시에 실행되기 위해서는 뭐가 필요할까?
   • 단일 CPU 환경에서는 실제로 한 번에 하나의 프로세스만 실행될 수 있다.
   • 그러나 여러 프로세스를 빠르게 번갈아가며 실행하여 동시 실행되는 것처럼 보이게 한다.
   • 이때 cpu가 새로운 프로세스를 실행하기 위한 일련의 과정을 context switching이라고 한다.
   • context switching은 PCB를 사용하여 프로세스 상태를 저장하고 복구한다.

 

 

# 이 글을 읽게 될 JH님께 드리는 메세지 . .  ㅎ

언니 늦게 작성해서 정말정말 미안합니다요 . . . ㅎ

이렇게까지 오래 걸릴 일이었나 싶긴 한데 쩝 . . . 정말 미안하구, 이번 글 피드백 잘 부탁하겠습니다요 ㅎ
언니 그리고 피드백은 정말 정말 천천히 줘도 돼 ! 내가 워낙에 늦게 올려가지고 ... ㅋ.. 

언니의 한 주를 응원하며 ! 아래 사진은 귀여워서 넣었어 ㅋㅋㅋ 내가 찍은 리버스 눈사람이야..