[OS] 프로세스 (Process)


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🖥️ 시작하며 💡 각 용어의 차이 1️⃣ 프로그램 (Program)2️⃣ 프로세스 (Process)3️⃣ 프로세서 (Processor)4️⃣ 태스크 / 작업 (Task / Job)🔍 프로세스란?🔍 프로세스의 발생 📌 프로세스 특성 1️⃣ Resource sharing 2️⃣ Execution 3️⃣ Address space 📌 프로세스의 종료 🔍 fork()🔍 Zombie VS Orphan 📌 Zombie Process (Defunct Process)📌 Orphan Process 🔍 프로세스 상태 변화 📌 프로세스 데이터 구조 (PCB, Process Control Block)🔍 Context Switch 📌 Process State Queue 📌 PCB와 상태 큐 💡 fork() 실행 과정 📌 exec()

🖥️ 시작하며

프로세스에 대한 정확한 정의와 프로세스 구현에 대한 방법을 알아봅니다.

💡 각 용어의 차이

1️⃣ 프로그램 (Program)

정의: 명령어들의 나열된 순서

설명: 프로그램은 실행 가능한 파일로, 코드와 데이터의 집합입니다.

2️⃣ 프로세스 (Process)

정의: 특정 목적을 수행하기 위해 실행되는 과정

설명: 프로세스는 실행 중인 프로그램으로, 운영 체제에서 자원을 할당받아 실행됩니다.

3️⃣ 프로세서 (Processor)

정의: 하드웨어, 프로그램 실행 장치

설명: 프로세서는 CPU(Central Processing Unit)를 의미하며, 프로그램의 명령어를 실제로 실행하는 하드웨어입니다.

4️⃣ 태스크 / 작업 (Task / Job)

정의: 프로세스의 묶음

설명: 태스크 또는 작업은 다수의 프로세스를 포함하는 더 큰 작업 단위입니다.

🔍 프로세스란?

💡

프로그램 실행의 인스턴스

프로세스는 프로그램 내 제어 흐름을 캡슐화합니다.

프로세스는 동적이고 활동적인 엔티티입니다.

프로세스는 실행 및 스케줄링의 기본 단위입니다. (추후 스레드가 기본 단위가 됩니다.)

프로세스는 고유한 PID로 식별됩니다.

프로세스 구성 요소:

CPU 컨텍스트: 레지스터 상태를 포함합니다.
운영 체제 자원: 메모리, 열린 파일 등을 포함합니다.
기타 정보: PID, 상태, 소유자 등을 포함합니다.

🔍 프로세스의 발생

💡

모든 프로세스는 계층 구조를 가짐, 한 프로세스가 다른 프로세스 생성

프로세스는 시스템 콜을 통해 자식 프로세스를 생성한다!

fork() , CreateProcess()

시스템이 초기화될 때, 이를 init process 라 말하며 PID 1 을 가진다.

📌 프로세스 특성

1️⃣ Resource sharing

부모 프로세스가 자원과 권한을 자식에게 상속

2️⃣ Execution

부모 프로세스는 자식 프로세스가 끝날 때까지 기다리거나 병렬로 계속 실행

3️⃣ Address space

자식 프로세스는 부모의 주소 공간을 복제하거나 새로운 프로그램을 로드:

→ 같은 주소 공간을 공유하지 않는 이유는 독립성, 안정성 확보하기 위함입니다.

📌 프로세스의 종료

유형	설명	예시	자발성
정상 종료 (Normal Exit)	프로그램이 예상대로 종료됨	프로그램 종료, 종료 버튼 클릭	자발적
오류 종료 (Error Exit)	프로그램이 오류를 감지하고 종료됨	파일 없음 오류, 네트워크 오류	자발적
치명적 오류 (Fatal Error)	예기치 않은 오류로 인해 프로그램이 강제로 종료됨	Segmentation Fault, Protection Fault	비자발적
다른 프로세스에 의해 종료	외부 요인에 의해 프로그램이 종료됨	kill 명령어, 시스템 관리자에 의한 종료	비자발적

🔍 fork()

💡

자식 프로세스를 만드는 시스템 콜

부모 프로세스의 가상 주소 공간을 전체 복사하여 자식 프로세스를 만듭니다.

자식 프로세스를 관리하기 위한 내부 데이터 구조를 복사합니다.

PCB를 전체 복사하는 것과 같습니다.

부모 프로세스는 자식 프로세스의 PID를 받습니다.

자식 프로세스는 0 값을 받습니다.

⚠️

→ 주의! 무조건 0이나 자식의 PID를 반환하는 것은 아닙니다. 오류로 -1을 반환할 수도 있습니다.

🔍 Zombie VS Orphan

📌 Zombie Process (Defunct Process)

💡

실행을 완료한 프로세스가 여전히 Process Table 엔트리에 남아 있는 경우

→ 자식 프로세스에서 발생하며, 부모 프로세스가 자식의 종료 상태를 알 수 있도록 필요하기 때문에 발생합니다.

📌 Orphan Process

💡

부모가 먼저 죽어 고아가 된 프로세스

→ 부모 프로세스에서 발생하며, 고아가 된 자식 프로세스가 init 프로세스에 입양됩니다.

🔍 프로세스 상태 변화

📌 프로세스 데이터 구조 (PCB, Process Control Block)

💡

프로세스의 메타데이터를 포함하는 데이터 구조

PCB에는 프로세스에 대한 모든 정보가 포함되어 있습니다:

프로세스 상태
프로그램 카운터
CPU 레지스터
CPU 스케줄링 정보
메모리 관리 정보
회계 정보
입출력 상태 정보 등

Linux에서의 task_struct:

Linux 2.4.18 기준으로 1456 바이트
include/linux/sched.h에 정의됨

프로세스가 실행 중일 때:

하드웨어 상태는 CPU 내부에 존재:

프로그램 카운터(PC)
스택 포인터(SP)
레지스터

운영체제(OS)가 프로세스 실행을 중지할 때:

레지스터의 값을 프로세스 제어 블록(PCB)에 저장한다.

운영체제가 프로세스를 실행 상태로 만들 때:

하드웨어 레지스터를 해당 프로세스의 PCB에 있는 값으로 로드한다.

🔍 Context Switch

💡

CPU를 한 프로세스에서 다른 프로세스로 전환하는 행위 → 오버헤드가 발생!

캐시 메모리에 있던 값을 날렸다가 다시 hit하면서 올라와야 하기 때문에 오버헤드가 발생합니다.

이는 하드웨어가 도와주면 비교적 쉽게 작동합니다.

레지스터를 여러 개 만든다던지 등

초당 100 ~ 1000번의 context switch가 일어납니다.

📌 Process State Queue

💡

운영체제가 프로세스를 관리하는 큐

준비 큐(Ready queue)

대기 큐(Wait queue): 각 유형의 대기(장치, 타이머, 메시지 등)에 대해 여러 개의 대기 큐가 있을 수 있다.

각 프로세스 제어 블록(PCB)은 현재 상태에 따라 상태 큐에 대기된다.

프로세스의 상태가 변경됨에 따라 PCB는 다양한 큐 사이를 이동한다.

📌 PCB와 상태 큐

PCB(프로세스 제어 블록)는 데이터 구조입니다.

OS 메모리 내에서 동적으로 할당됩니다.

프로세스가 생성될 때:

OS는 프로세스를 위해 PCB를 할당합니다.
OS는 PCB를 초기화합니다.
OS는 PCB를 올바른 큐에 넣습니다.

프로세스가 계산을 수행할 때:

OS는 PCB를 큐에서 큐로 이동시킵니다.

프로세스가 종료될 때:

OS는 PCB를 할당 해제합니다.

💡 fork() 실행 과정

PCB 생성, 초기화

child 공간 생성, 초기화

부모 내용 복제

커널 자원 세팅, 초기화

PCB ready queue에 삽입

부모에게 Child PID, Child 0 반환

📌 exec()

현재 프로세스를 정지시킵니다.

프로그램 "prog"를 프로세스의 주소 공간에 로드합니다.

새로운 프로그램을 위해 하드웨어 컨텍스트와 인수를 초기화합니다.

PCB를 준비 큐에 넣습니다.

주의: exec()는 새로운 프로세스를 생성하는 것이 아닌, 덮어씌우는 것입니다.

💡

부모 프로세스와 자식 프로세스 모두 별도 프로세스이므로, 각자의 값을 볼 수 없음