[운영체제(OS)] 3장 프로세스와 프로세스 관리

시험 준비하면서 정리했습니다. 문제가 되면 삭제하겠습니다.

 

1. 프로세스 개요 

 

프로그램과 프로세스 

 

프로그램: 저장장치에 저장된 실행 가능한 파일 

프로세스: 프로그램이 메모리에 적재되어 실행 중일 때 프로세스라 불림 

-프로세스들은 서로 독립적인 메모리 공간을 가지므로 다른 프로세스 영역에 접근 X 

-프로세스마다 고유한 ID 할당 받음 

-프로세스에 대한 정보는 운영체제 커널에 의해 관리된다. 

 

프로세스 관리 

 

커널의 역할 

-프로세스를 위해 사용자 공간에 메모리 할당 

-프로세스 ID 부여 

-커널 영역에 프로세스 테이블 생성 및 모든 프로세스 정보 관리 

 

프로그램의 다중 인스턴스 

 

하나의 프로그램을 여러 번 실행시키면, 실행 될 때마다 독립된 프로세스가 생성되며,  

이 프로세스를 다중 인스턴스라고 부른다. 

 

프로세스의 구성 

 

1) 코드 영역 : 프로세스 코드가 적재되는 영역 

2) 데이터 영역: 프로세스의 전역 변수들과 정적 변수들이 적재되는 영역 

3) 힙 영역: 프로세스가 실행 중인 동적 할당을 받는 영역. 아래 번지로 내려가면서 할당 

4) 스택 영역: 함수가 호출될 때 지역변수, 매개변수, 함수의 리턴 값 등이 저장되는 영역 

 

프로세스 주소 공간 

 

프로세스 주소 공간? 

-프로세스가 실행 중에 접근할 수 있도록 허용된 주소의 최대 범위 (사실상 CPU 주소 공간과 같음) 

-사용자 공간+ 커널 공간 

 

사용자 공간 

-프로세스의 코드, 데이터, 힙, 스택 영역이 순서대로 할당되는 공간 

 

커널 공간 

-프로세스가 시스템 호출을 통해 이용하는 커널 공간. 커널 코드를 실행하는 것은 사용자 프로세스 

 

정리 

-프로세스의 코드와 데이터 영역은 실행 파일에 결정된 상태로 적재 -> 실행 중 크기 변화 X 

-프로세스는 사용자 공간의 최대 범위까지 동적 할당 받으며 힙과 스택 영역을 늘려감 

-프로세스마다 각각 사용자 주소 공간이 있음 

-시스템 전체에는 하나의 커널 주소 공간이 있음 

-모든 프로세스는 커널 주소 공간을 공유 

 

 

프로세스 주소 공간은 가상 공간이다. 

 

매핑 테이블: 프로세스의 가상 주소 공간과 물리 메모리의 물리 주소 공간을 연결하는 테이블 

-가상 주소 데이터는 메모리에 분산되어 있는데,  

 운영체제는 물리 메모리의 비어 있는 공간에 나누어 적재하고 매핑 테이블에 적는다. 

 

Q. 프로세스 사이 가상 주소 공간은 충돌하는가? -> X 

-프로세스는 자신의 매핑 테이블을 통해 물리 메모리에 접근하고, 각 프로세스 영역은 운영체제에 의해 물리 메모리의 서로 다른 공간에 배치되므로 충돌이 일어나지 않는다. 

 

 

 

 

2. 커널의 프로세스 관리 

 

프로세스 테이블과 프로세스 제어 블록 

 

-운영체제 커널은 시스템 전체에 하나의 프로세스 테이블을 두고 모든 프로세스 정보 관리함 

-프로세스를 생성할 때마다 프로세스 제어 블록(PCB)를 생성하여 프로세스 정보를 저장 

-테이블의 비어 있는 항목에 프로세스 번호(PID)와 함께 PCB를 연결한다. 

 

 

프로세스 제어 블록(PCB) 

 

-프로세스당 하나씩 존재. 프로세스가 생성될 때 만들어지고 종료되면 삭제 

-프로세스 번호(PID): 프로세스를 식별하는 고유 번호 

-부모 프로세스 번호(PPID): 최상위 프로세스를 제외하고 모든 프로세스는 부모 프로세스를 가지며, 

  PCB에는 부모 프로세스 ID가 저장 

-프로세스 상태 정보(Process State): 커널은 프로세스의 상태를 바꿀 떄마다 PCB에 상태 정보 저장 

-프로세스 컨텍스트 정보: 커널은 프로세스 컨텍스트(PC,SP ..)를 PCB에 저장한다. 

-스케줄링 정보 

-종료 코드: 프로세스가 종료할 때 종료 이유를 부모 프로세스에게 전달하기 위한 정수 값으로  

    종료한 프로세스의 PCB에 저장됨 

 

프로세스의 생명 주기와 상태 변이 

 

1) NEW 상태: 커널은 새 프로세스의 코드와 데이터를 메모리에 적재.  

       PCB를 만들어 테이블의 빈 항목에 등록, 프로세스 상태를 NEW로 기록.  

       실행 준비를 마쳤을 때는 Ready 상태로 만든다. 

 

2) Ready 상태: 커널에 있는 준비 큐에 들어간다.  실행 중인 프로세스가 종료되거나 중단되면  

        커널은 준비 큐에서 한 개의 프로세스를 선택한다.   

 

3) Running 상태: 프로세스의 PCB에 상태를 Running으로 기록하고 CPU에게 프로세스를  

실행하게 한다. 시간 할당량(time slice)이 지나면 다시 Ready상태로 바뀐다. 

 

4) Blocked 또는 Wait 상태 

Blocked는 자원을 요청하거나 입출력을 요청하고 완료를 기다리는 상태이다. 프로세스가 실행 상태에서 시스템 호출을 일으켰을 경우 커널은 현재 프로세스를 Blocked 또는 Wait 상태로 만들고, 스케줄링을 통해 Ready 상태의 프로세스를 선택하여 현재 프로세스와 컨텍스트를 스위칭한다. 

 

5) Terminate/Zombie 상태 

프로세스가 종료하면 커널은 프로세스가 차지하던 메모리와 할당 받은 자원들을 모두 반환하고 닫은 후 Terminated/Zombie 상태로 표기한다. 프로세스는 종료할 때 종료코드를 남기는데 PCB에 저장된 채 남아있게 된다. 

 

6) Terminate/Out 상태 

부모 상태가 좀비 상태의 자식 프로세스의 PCB에서 종료코드를 읽어갈 때 커널은 좀비 상태의 PCB를 시스템에서 제거하고, 좀비 프로세스는 시스템에서 완전히 사라진다.  

 

프로세스 스케줄링 

 

-스레드를 대상으로 스케줄링하고, 프로세스는 스레드에게 공유 자원을 제공하는 컨테이너 역할 

 

C 프로그램으로 프로세스 정보 얻기 

 

pid_t pid, ppid; //sys/types.h 헤더 파일에 pid_t타입 선언(int로 선언된 것과 같음) pid = getpid(); //현재 프로세스 pid ppid = getppid(); //부모프로세스 pid 

 

 

 

3. 프로세스의 계층 구조 

 

프로세스의 부모-자식 관계 

 

리눅스 사례(부팅 초기 생성) 

#0 프로세스(idle): 유휴 프로세스( 스케줄 될 프로세스(ready)가 하나도 없을 때 실행 

#1 프로세스(init): 사용자 모드에서 실행되는 모든 프로세스의 조상 

#2 프로세스(kthreadd): 부팅 때 생성되어 커널 모드로 실행되면서 커널의 기능을 돕는 프로세스

 

#0과 #1 프로세스: idle, init 프로세스 

-리눅스에서 idle 프로세스는 부팅 관여 없이 아무 일도 하지 않고 루프, 우선순위가 가장 낮은  

  프로세스 

 

#0과 #1 프로세스 

-#0프로세스에 의해 실행되지 않고, 부팅 과정에서 하드코딩으로 생성 

 

부모 자식 프로세스 실행 관계 

-Windows는 프로그램 사이의 계층 구조의 의미는 부모-자식 관계 이상의 의미는 없다.  

fork() - 자식 프로세스를 생성하는 시스템 호출 함수 exit() - 현재 프로세스의 종료를 처리하는 시스템 호출 함수 wait() - 부모가 자식 프로세스가 종료할 때 까지 커널 내에서 대기하는 시스템 호출 함수 

 

 

1. 부모가 자식을 생성한 후 자식의 종료를 기다리는 경우 

 

2. 자식이 부모보다 먼저 종료한 경우 

 

좀비 프로세스: 종료 후 방치된 자식 프로세스 

  

- 자식프로세스가 exit()시스템 호출을 실행하면 exit()는 부모 프로세스에게 자식의 종료를 알리는 SIGCHLD신호를 전달

- 부모가 이 신호를 받았을 때 wait()시스템 호출을 부르도록 작성되어 있지 않다면

 죽은 자식 프로세스는 계속 좀비 상태로 남게 된다. 

- wait()를 실행하지 않는다면 자식 프로세스는 종료하였지만 좀비 상태로 PCB와 프로세스 테이블에 항목이 남아있어

 살아있는 것 처럼 보여져, 쉘에 ps명령을 입력하면 좀비 프로세스도 프로세스 리스트에 나타난다. 

 

좀비 프로세스를 제거하기 위해 부모 프로세스의 SIGCHILD 신호 핸들러가 wait()를 호출하거나, 

부모 프로세스를 강제 종료(CloseHandle) 하여 좀비는 init프로세스의 부모가 되고,

init프로세스는 주기적으로 wait() 시스템을 호출하여 자식인 좀비 프로세스가 제거된다. 

*쉘에서 ‘Kill 좀비프로세스의부모프로세스PID’ 명령 입력  

 

고아 프로세스와 입양 

 

고아 프로세스: 부모가 먼저 종료한 자식 프로세스

 

백그라운드 프로세스와 포그라운드 프로세스 

 

백그라운드 프로세스: 사용자와의 대화를 필요하지 않는 프로세스 

      현대에도 낮은 우선순위로 실행되는 여러 백그라운드 프로세스 존재  

포그라운드 프로세스: 터미널 사용자로부터 입출력을 독점하는 프로세스로  

     운영체제는 터미널에서의 사용자 입력을 모두 포그라운드 프로세스로 보낸다. 

 

CPU 집중 프로세스와 I/O 집중 프로세스 

 

CPU 집중 프로세스: 대부분의 시간을 계산 중심의 일을 하느라 보내는 프로세스. CPU 성능 중요 

I/O 집중 프로세스: 입출력 작업을 하느라 대부분의 시간을 보내는 프로세스.  

운영체제의 스케줄링 우선순위: I/O 집중 프로세스 > CPU 집중 프로세스  

 

 

 

4. 프로세스 제어 (fork, exec, wait, exit) 

 

프로세스 생성과 fork() 

 

프로세스가 생성되는 경우 

1) 시스템 부팅 과정 

2) 로그인 시 쉘 프로세스 (bash, Windows 탐색기) 

3) 사용자 명령에 따라 응용프로그램 프로세스 생성 

4) 배치(at, bactch) 

5) 응용프로그램의 다중처리를 위한 자식 프로세스 생성 

 

생성 방법 (시스템 호출) 

-fork() 

-CreateProcess() 

 

프로세스 생성 후 커널에서 진행되는 작업 

 

1) 새로운 PID 번호 할당 

2) PCB 구조체 생성 

3) 프로세스 테이블에 새 항목 할당 

4) 프로세스를 위한 메모리 공간 할당 

5) 할당받은 메모리 공간에 프로세스의 코드와 데이터 적재 

6) PCB에 프로세스 정보 기록 

7) PCB에 프로세스 상태를 Ready로 표시하고 준비 큐에 넣어 차후 스케줄 되게 함 

 

-fork()에 의해 부모 프로세스가 복사되어 자식 프로세스가 생성 

-자식 프로세스에게는 0, 부모 프로세스에게는 새로 생성된 자식 프로세스의 PID 리턴 

*응용프로그램이 다중처리를 위해 자식프로세스 생성 

 

프로세스 오버레이와 exec() 

 

 프로세스 오버레이: 현재 실행 중인 프로세스의 주소 공간에 새로운 응용프로그램을 적재하여 

       실행시키는 기법  

- 프로세스가 execlp(), execv(), execvp() 등으로 시스템 호출을 하면 exec()는 호출한 프로세스의 

  주소 공간에 새로운 응용프로그램의 코드,데이터,힙,스택을 올리게 되어,  

  호출 프로세스의 모든 영역들이 사라진다. 

-호출 프로스세스의 PID는 그대로 계승된다. 

 

 

프로세스 종료와 프로세스 종료 대기 

 

프로세스 종료: exit() 시스템 호출, C프로그램의 main()에서 리턴 종료 코드: 부모 프로세스에게 전달하는 값,  

   정상 종료는 0, 1~255는 종료 이유를 임의로 정해서 사용 

   return 300 = return 44 

 

exit() 시스템 호출로 프로세스 종료 과정 

 

1) 프로세스의 모든 자원 반환 

2) PCB에 프로세스 상태를 Terminated로 변경 (PCB와 프로세스 테이블 항목 그대로 둠) 

3) PCB에 종료 코드 저장 

4) 자식 프로세스들이 있으면 이들을 init에 입양 

5) 부모 프로세스에게 SIGCHLD신호 전달 

 

wait() 시스템 호출로 자식 프로세스 종료 대기 

 

-리턴값: 자식 프로세스가 없다면 -1 

자식 프로세스의 종료코드를 읽고 리턴하는 경우 자식 프로세스의 PID 

 

좀비 프로세스 

 

-프로세스가 종료하여 메모리와 할당 받은 모든 자원이 반환되었지만, 

 자신이 남긴 종료코드가 아직 부모에게 전달되지 않은 상태  

-개발자의 무지 혹은 부모 프로세스에 오류가 발생하여 존재  

 

출처