[CS 퀴즈] 오답노트 (3)
CS 퀴즈 (3)
운영체제 - 프로세스
프로세스(Process)
프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미한다. 프로세스는 운영체제에 의해 관리되며, 독립적으로 실행되고 자원을 할당 받을 수 있는 단위이다. 운영체제는 프로세스들에게 적절히 자원들을 분배하여 여러가지 작업을 수행할 수 있게 한다.
프로세스에 대해서 예를 들어보자.
본인은 엑셀 프로그램(excel.exe)을 켰다. 이때 엑셀을 실행시키기 위해 컴퓨터는 엑셀 프로그램을 읽어야 한다. 컴퓨터에서 모든 프로그램은 코드로 작성되어 있다. 이 코드 파일을 컴퓨터가 읽으려면 CPU가 이해할 수 있는 형태인 저급 언어(0과 1로 이루어진 기계어)로 프로그램이 만들어져야 한다. 0과 1로 작성된 실행 프로그램을 코드 이미지 또는 바이너리 라고 부르며, 보통 exe란 확장자가 붙는다. 이 exe 프로그램을 실행하면 메모리에 실행할 데이터가 올라가고, CPU가 이 데이터의 코드를 한 줄 씩 읽어 나가며 실행한다. 이때, 메모리에 올려진 데이터를 프로세스라고 한다.
프로세스 구조
프로세스를 실행시키기 위해서는 코드의 데이터를 메모리에 올려 실행시켜야 한다. 이때, 프로세스마다 고유한 가상 메모리 공간을 제공하며, 이 공간은 4개로 나눌 수 있다.
① code 영역(Text Segment)
- 내가 작성한 코드가 저장되는 공간으로, 코드는 컴파일 되어 0과 1로 변환된 기계어가 저장된다.
② Data 영역(Data Segment)
- 내가 작성한 코드에서 선언된 전역 변수, 정적 변수, 상수 등을 저장한다.
- 초기화된 변수와 초기화되지 않은 변수들이 나눠서 저장된다.
- 데이터 영역은 프로그램의 시작 시 초기화되며, 프로세스가 종료될 때까지 유지된다.
③ Stack
- 내가 작성한 함수에서 지역변수, 매개변수, return 주소들을 저장한다.
- 알고리즘에서 사용하는 stack 구조를 사용해서 stack이라고 부른다. 프로세스마다 독립적인 stack을 가질 수 있고, stack 포인터를 통해 스택의 상태를 관리한다.
- 함수가 호출되면 stack 공간이 생성되며, 함수가 종료되면 제거된다.
④ Heap
- 내가 작성한 코드에서 동적으로 생성되는 데이터 구조나 객체들을 저장한다.
- 예를 들면, 객체나 배열을 생성했을 때 프로그램 실행마다 얼마만큼의 데이터가 추가될 지 모른다. 데이터가 추가됨에 따라 유동적으로 공간을 늘릴 수 있는게 힙 영역이다.
- 힙은 동적으로 할당되는 메모리 영역으로, 프로세스가 실행 중에 동적으로 메모리를 할당받고 해제하는데 사용된다.
- 힙은 프로세스의 주소 공간의 나머지 영역에 위치하며, 크기는 동적으로 확장될 수 있다.
프로세스의 상태
현대의 컴퓨터에서는 프로세스를 처리할 때 5가지의 프로세스 상태 생명주기에 따라 프로그램을 처리한다.
① 프로세스 생성(new)
프로세스가 생성된 상태이다. 생성만 되었고, 아직 실행되기 위한 자원을 할당받지 못한 상태이다.
② 실행 가능(Ready)
프로세스가 실행을 기다리는 상태이다. 프로세스가 필요한 자원을 모두 할당받았으며, 실행을 위한 준비가 완료되었지만 CPU를 할당받지 못한 상태이다. 이 상태에서는 CPU를 할당받기 위해 스케줄링 대기열(Queue)에 들어가게 된다.
③ 실행 상태(Running)
프로세스가 CPU를 할당받아 실제로 코드를 실행하는 상태이다. 이 상태에서는 프로세스가 작업을 처리하고 결과를 만들어 낸다.
④ 대기(Blocked)
프로세스를 처리중에 작업 시간이 초과되거나 자원 사용을 위해 대기해야 하는 이벤트가 발생해서 프로세스가 잠시 멈춘 상태이다. 이 상태에서는 CPU를 사용하지 않는다. 특정 자원을 사용할 수 있을 때까지 실행을 멈추고, 다시 대기열(Ready Queue)로 들어가게 되며, 프로세스 처리 가능 상태가 되면 실행(Running) 상태로 변경한다.
⑤ 종료(Terminated, exit)
프로세스의 실행이 완료되어 종료된 상태이다. 이 상태에서는 할당된 자원이 해제되고, 프로세스의 메모리 공간은 운영체제에 반환된다.
프로세스의 PC와 SP
프로세스가 실제로 돌아가려면 PC(Program Counter)와 SP(Stack Pointer)가 필요하다.
컴퓨터에서는 프로세스를 처리하기위한 2가지의 레지스터가 있다. 이 레지스터들이 PC와 SP이며, 프로세스의 실행 및 메모리 관리와 관련된 역할을 한다.
PC(Program Counter)
- PC는 현재 실행 중인 명령어의 주소를 가리키는 레지스터다.
- 코드를 실행시키면 코드가 한 줄씩 내려가며 실행되는데, 프로세스는 한 줄을 처리 후 다음 실행할 코드가 어딘지 알려줘야 코드를 찾아서 실행할 수 있다. 이때, 다음 실행할 코드의 주소를 저장하는 레지스터가 PC이다.
- 프로세스는 명령어를 순차적으로 실행하면서 PC 값을 증가시켜서 다음에 실행할 명령어를 가리킨다.
- PC는 프로그램의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 프로세스가 명령어를 실행하다가 분기나 점프 명령어를 만나면 PC의 값을 분기된 주소로 변경하여 해당 명령어를 실행한다.
- PC는 프로세스가 중단되거나 인터럽트(예외 상황)가 발생했을 때 현재 실행 중이던 명령어의 주소를 저장하고, 이후 다시 프로세스가 실행되었을 때 주소를 찾아가 재실행 시킬 수 있는 역할을 한다.
SP(Stack Pointer)
- SP는 현재 실행 중인 프로세스의 스택(Stack)의 최상단을 가리키는 레지스터이다.
- 코드를 작성할 때, 재귀함수처럼 함수 안에 함수를 호출해야 하는 경우가 있다. 이럴 경우, 가장 최근에 호출한 함수 순서대로 Stack에 쌓이게 되는데, 가장 최근에 호출된 함수(=최상단 함수)의 위치를 알고 있으면, 어디까지 함수가 호출되어 있는지 프로세스가 알 수 있다.
- 스택은 함수 호출이나 임시 데이터 저장 등을 위해 사용되는 메모리 영역으로, 후입선출(LIFO, Last-In-First-Out) 구조를 가지고 있다.
- SP는 스택 프레임(Stack Frame, 스택 공간이란 뜻)의 시작 주소를 가리키며, 스택에 데이터를 저장하거나 불러올 때 사용된다.
- 함수 호출 시에는 SP가 감소하여 스택에 새로운 스택 프레임(스택 공간)을 생성하고, 함수가 반환되면 SP가 증가하여 이전 스택 프레임으로 되돌아 간다.
- SP는 프로세스의 스택 영역을 관리하고, 스택 오버플로우(Stack Overflow, 스택 영역 밖으로 메모리가 넘어가는 현상)와 같은 문제를 방지하기 위해 제한된 메모리 영역을 사용하는 등의 역할을 수행한다.
PCB(Process Control Block)
프로그램이 실행되면 프로세스의 정보를 저장하는 별도의 공간이 따로 생기게 된다. 운영체제의 커널(Kernel) 또한 하나의 프로그램이므로 프로세스와 같이 정보를 저장할 수 있는 공간(stack, data, heap …)이 생긴다. 이때, 커널의 데이터(Data) 영역에서는 각 프로세스의 상태, CPU 사용의 정보, 메모리 사용 정보 등 각종 자원을 관리하기 위해서 PCB라는 공간을 둔다.
즉, PCB란 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 데이터 구조이다. PCB는 각 프로세스마다 유지되며, 해당 프로세스의 상태 정보와 제어 정보를 저장한다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 PCB를 할당하고, 프로세스가 종료되면 해당 PCB를 해제한다.
위에서 설명한 PC와 SP 값이 이 PCB에 저장되고, 필요하면 PCB에서 불러와 코드 실행이 멈춰 있던 곳의 주소를 찾아가 다시 실행할 수 있게 해준다. 이 PCB가 존재하기 때문에, 우리의 프로그램이 잠시 중단된 상태에서 다시 실행할 때, 처음부터 되돌아가 실행하지 않고 실행을 이어서 처리할 수 있게 해준다.
우리가 흔히 볼 수 있는 작업관리자 창에선 현재 실행 중인 프로세스들을 모두 확인할 수 있다. 이때, 프로세스 고유 번호(PID), 프로세스들의 상태, 계정 정보, 사용 중인 메모리 할당 정보 등등 필요한 정보를 확인할 수 있는데, 이 정보들을 PCB에서 불러온다.
PCB에는 다음과 같은 정보들이 저장된다.
① 프로세스 상태(Process State)
프로세스의 현재 상태를 나타낸다. 예를 들면, 실행(Running), 준비(Ready), 대기(Waiting) 등의 상태 등이 있다. 이 상태 정보는 프로세스 스케줄링과 상호작용하여 프로세스의 실행을 관리한다.
② 프로그램 카운터(Program Counter, PC)
프로세스가 다음에 실행할 명령어(코드)의 주소를 가리키는 포인터이다. PC는 프로세스가 중단되었을 때 다시 시작할 위치를 알려주는 중요한 역할을 한다.
③ 레지스터(Registers)
프로세스가 현재 실행되는 동안 사용되는 레지스터 값들을 저장한다. 여기서 프로세스가 일시 중단되고 다시 실행 될 때 레지스터 값들을 복원하는 데 사용된다.
④ 스케줄링 정보(Scheduling Information)
프로세스의 우선순위, 할당 된 CPU 시간, 스케줄링 알고리즘과 관련된 정보 등 스케줄링에 필요한 정보를 포함한다.
⑤ 메모리 관리 정보(Memory Management Information)
프로세스가 사용하는 메모리 공간의 주소 범위, 페이지 테이블, 메모리 할당 정보 등과 같이 메모리 관리에 필요한 정보를 저장한다.
⑥ 입출력 상태(I/O state)
프로세스가 현재 사용 중인 입출력 장치와 관련된 정보를 포함한다. 예를 들어, 어떤 입출력 요청을 보내고 있는지, 어떤 파일을 열어두었는지 등의 정보를 저장한다.
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