[운영체제] 프로세스

프로세스의 정의

프로세스는 메모리 상에서 실행 중인 프로그램을 말한다.

프로세스의 메모리 배치는 다음과 같다.

프로세스는 실행 코드가 적재된 텍스트 섹션 과 함수의 매개변수, 복귀 주소 및 지역 변수 같은 임시 자료를 갖는 스택 섹션 과 전역 변수를 갖는 데이터 섹션 , 프로그램 실행중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙 섹션 을 포함한다. 텍스트 및 데이터 섹션의 크기는 고정되어 프로그램 실행 동안 크기가 변하지 않지만, 스택과 힙 섹션은 프로그램 실행 중에 동적으로 줄어들거나 커질 수 있다.

프로그램과 프로세스

프로그램은 명령어 리스트를 내용으로 가진 디스크에 저장된 파일과 같은 수동적인 존재다. 이에 반해, 프로세스는 다음에 실행할 명령어를 저장하는 프로그램 카운터와 관련 자원의 집합을 가진 능동적인 존재다. 실행 파일이 메모리에 적재될 때, 프로그램은 비로소 프로세스가 된다.

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

각 프로세스는 운영체제에서 프로세스 제어 블록에 의해 표현된다. 프로세스 제어 블록은 특정 프로세스와 연관된 여러 정보를 수록하며, 다음과 같은 것들을 포함한다.

• 프로세스 상태 : new, ready running, waiting, halted 등의 상태를 저장한다.
• 프로세스 번호 : 프로세스 식별 변호(PID)
• 프로그램 카운터 : 이 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킨다.
• CPU 레지스터
• CPU-스케줄링 정보 : 프로세스 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터와 다른 스케줄 매개변수를 포함한다.
• 메모리 관리 정보 : base 레지스터 및 limit 레지스터의 값과 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등의 정보를 포함한다.
• 어카운팅 정보 : CPU 사용 시간과 경과된 실시간, 시간 제한, 계정 번호, 작업 또는 프로세스 번호 등을 포함한다.
• 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일의 목록 등을 포함한다.

프로세스 스케줄링

프로세스 스케줄링은 수행 가능한 여러 프로세스들 중에서 하나의 프로세스를 선택하는 작업을 말하고, 이 작업을 프로세스 스케줄러가 수행한다. 각 CPU 코어는 한 번에 하나의 프로세스를 실행할 수 있다.

다중 프로그래밍은 CPU의 이용률을 극대화하기 위해 항상 어떤 프로세스가 실행되도록 하고, 시분할은 다중 프로그래밍을 확장한 개념으로, 각 프로그램이 실행되는 동안 사용자가 상호작용 할 수 있도록 프로세스들 사이에서 CPU를 빈번히 교체한다.

대부분의 프로세스들은 I/O bound 혹은 CPU bound로 프로세스의 우선순위가 결정된다. I/O 바운드 프로세스는 계산(CPU)에 소비하는 것보다 Input 및 Output에 더 많은 시간을 소모하는 프로세스이다. 반면에 CPU 바운드 프로세스는 I/O 요청을 적게 받고, 대부분의 시간을 CPU를 사용해 계산 작업을 하는 방식이다.

스케줄링 큐

스케줄링 큐의 종류로는 작업 큐, 준비 큐, 장치 큐가 있다.

• 작업 큐 : 시스템 내 모든 프로세스들을 관리하기 위한 큐이다. 프로세스 상태와 무관하게 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스가 작업큐에 속하게 된다.
• 준비 큐 : CPU를 할당받고 실행될 준비가 된 모든 프로세스들을 관리하기 위한 큐이다. 시스템에 하나 존재하며, 이 중에서 프로세스를 하나 선택하고 프로세스는 실행된다.
• 장치 큐 : I/O 장치를 기다리는 모든 프로세스들을 관리하는 큐이다.

CPU 스케줄링

스케줄링 대상은 준비 큐에 있는 프로세스들이다.

CPU 스케줄링 알고리즘은 클럭 인터럽트를 어떻게 다루는 가에 따라 비선점형 스케줄링 알고리즘 과 선점형 스케줄링 알고리즘 으로 나뉜다.

• 비선점형 스케줄링 알고리즘 : I/O나 다른 프로세스를 기다리기 위해 대기하거나 자발적으로 CPU를 반환할 때까지 계속 수행할 수 있다.
• 선점형 스케줄링 알고리즘: 정해진 시간이 끝나면 프로세스는 중단되고, 스케줄러는 다음에 실행할 다른 프로세스를 선정한다.

FCFS(First Come First Served)

특징

• 프로세스들은 요청 순서대로 CPU를 할당 받는다.
• 프로세스 작업이 아무리 오래 수행되도 끝날 때까지 방해 받지 않는다.
• 비선점형 스케줄링

문제점

• 비교적 짧은 CPU 바운드 프로세스가 긴 I/O 바운드 프로세스가 끝나길 기다리는 상황이 발생할 수 있다.
• 이를 호위 효과(Convoy Effect) 라고 한다.

SJF(Shortest-Job Fisrt)

특징

• 처리 시간이 짧은 프로세스들 순서로 스케줄링하는 방식이다.
• 비선점형 스케줄링

문제점

• 실행 시간이 짧은 프로세스들이 지속적으로 도착한다면, 상대적으로 긴 프로세스는 계속해서 지연되는 단점이 있다. 이를 기아 상태(Starvation)라고 한다.

SRTF(Shortest Remaining Time First)

• 비선점형인 SJF 스케줄링의 단점을 보완하기 위해 선점형 방식으로 구현한 스케줄링 알고리즘이다. Shortest Remaining Time Next 로도 불린다.

문제점

• 잦은 Remaning Time 계산, 잦은 선점으로 인해 문맥 교환 오버헤드가 증가한다.
• 이로 인해 현실적으로 구현 및 사용이 어렵다.

Round Robin

특징

• 모든 프로세스에 동일한 최대 CPU 사용 시간 할당량(time quantum)을 정해주고, 처리 중인 프로세스의 CPU 실행 시간이 점유 시간을 초과하면 강제로 회수하여 다음 프로세스에 할당하는 방식이다.
• 선점형 스케줄링
• 모든 프로세스들에게 CPU가 할당될 기회를 동일하게 주어지므로, 대화식 시스템 환경에 적합하다.

주의

• time quantum 이 너무 짧으면 잦은 문맥 교환(context switch)으로 오버헤드가 발생해 CPU 효율이 떨어진다.
• 또한 너무 길면 FCFS와 같아져 대화식 요청의 응답의 질이 떨어진다.
• 적절한 time qunatum을 타협하는 것이 중요하다.

Priority Scheduling

특징

• 각 프로세스에게 우선순위가 할당되며 가장 높은 우선순위를 가진 실행 가능한 프로세스가 다음에 수행한다.

문제점

• 무한 봉쇄(Indefinite Blocking) : 실행 준비는 되있으나 CPU를 사용하지 못하는 프로세스는 CPU를 기다리면서 봉쇄됨.
• 기아 상태(Starvation) : 낮은 우선순위 프로세스들이 CPU를 무한히 대기하는 경우가 발생한다.

해결책

• 시스템에서 오래 대기하고 있는 프로세스들의 우선순위를 점진적으로 증가시키는 aging 기법을 활용해 해결가능하다.
• 클록 인터럽트마다 현재 실행중인 프로세스의 우선순위를 낮춘다.
• 각 프로세스별로 time quantum을 지정해, 이 할당 시간을 소비하면 다음으로 우선순위가 높은 프로세스에게 실행할 기회를 줄 수도 있다.

문맥 교환(Context Switch)

문맥은 PCB(Process Control Block)에 포함되는 개념으로, CPU 레지스터의 값, 프로세스 상태, 메모리 관리 정보 등을 포함한다. PCB vs Context에서 PCB와 Context의 개념 차이를 확인할 수 있다.

멀티 프로세스 환경에서 CPU가 어떤 하나의 프로세스를 실행하고 있는 상태에서 인터럽트 요청에 의해 다음 우선 순위의 프로세스가 실행되어야 할 때, 기존 프로세스의 문맥을 저장하고, CPU가 다음 프로세스를 수행하도록 새로운 프로세스의 문맥을 복원하는 작업을 문맥 교환이라고 한다.

교환이 일어나는 동안, 시스템은 아무런 유용한 일을 하지 못하기 때문에, 문맥 교환 시간은 순수한 오버헤드다.