Process(프로세스)

보조기억장치에 저장된 파일인 프로그램을 메모리에 적재되어 CPU 자원을 할당받고 실행되는 상태가 되면 이를 프로세스라 부른다.

운영체제 내 실행 중인 프로세스 확인

윈도우에서는 작업 관리자의 프로세스 탭에서 확인할 수 있고, 리눅스에서는 ps 명령어로 확인할 수 있다.

$ ps -ef
  501 99763     1   0  2:45PM ??         0:00.08 /.../MacOS/com.apple.WebKit.Networking
    0  6764  6763   0  3:34PM ttys000    0:00.01 /.../MacOS/ShellLauncher --launch_shell
  501  6765  6764   0  3:34PM ttys000    0:00.25 -zsh
  501  6780     1   0  3:34PM ttys000    0:00.00 -zsh
  501  6813     1   0  3:34PM ttys000    0:00.00 -zsh
  501  6814     1   0  3:34PM ttys000    0:00.00 -zsh
  501  6816  6780   0  3:34PM ttys000    0:00.00 /Users/hyoguoo/.cache/gitstatus/gitstatusd-darwin-arm64 -G v1.5.4 -s -1 -u -1 -d -1 -c -1 -m -1 -v FATAL -t 20
    0  6892  6765   0  3:34PM ttys000    0:00.00 ps -ef

프로세스의 메모리 영역 구조

프로세스가 실행되면 운영체제는 해당 프로세스를 위해 메모리 공간을 할당한다.

• 코드 영역 (Code/Text Segment)

  • 실행할 프로그램의 코드(기계어)가 저장되는 영역

  • CPU가 명령어를 가져가 실행하는 위치

  • 프로그램 실행 중 코드가 변경되지 않도록 읽기 전용(Read-Only)으로 설정됨

• 데이터 영역 (Data Segment)

  • 전역 변수(Global Variable)와 정적 변수(Static Variable)가 저장되는 영역

  • 프로그램 시작과 동시에 할당되고, 프로그램 종료 시 소멸됨

  • 초기화된 데이터는 Data 영역에, 초기화되지 않은 데이터는 BSS(Block Started by Symbol) 영역에 저장됨

• 힙 영역 (Heap Segment)

  • 프로그래머가 필요에 따라 동적으로 메모리를 할당하고 해제하는 영역 (예: C의 malloc, Java의 new)

  • 메모리 주소의 낮은 값에서 높은 값으로 할당됨

  • 사용 후 해제하지 않으면 메모리 누수(Memory Leak) 발생

• 스택 영역 (Stack Segment)

  • 함수 호출 시 생성되는 지역 변수, 매개변수, 리턴 주소 등이 저장되는 임시 영역

  • 함수 호출이 완료되면 자동으로 소멸됨

  • 메모리 주소의 높은 값에서 낮은 값으로 할당됨 (힙 영역과의 충돌 방지)

문맥 교환 (Context Switch)

CPU가 현재 실행 중인 프로세스의 작업을 중단하고, 다른 프로세스를 실행하기 위해 상태(Context)를 교체하는 작업이다.

문맥 교환 과정

문맥 교환 오버헤드

잦은 컨테스트 스위칭은 시스템 성능을 저하시키는 주된 원인이 된다.

• 캐시 오염 (Cache Pollution): 프로세스가 바뀌면 CPU 캐시 메모리에 저장된 데이터가 무효화되므로, 새로운 프로세스는 데이터를 메모리에서 다시 읽어와야 함

• TLB 플러시: 가상 메모리 주소 변환을 돕는 TLB(Translation Lookaside Buffer)가 초기화되어 메모리 접근 속도가 일시적으로 느려짐

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

프로세스 제어 블록(PCB)은 운영체제가 각 프로세스에 대한 정보를 저장하는 자료구조로, 프로세스의 상태를 관리하고 문맥 교환 시 필요한 정보를 제공한다.

• 프로세스 식별자 (PID): 프로세스를 구분하는 고유 번호

• 프로세스 상태: 현재 프로세스의 상태 (생성, 준비, 실행, 대기, 종료)

• 프로그램 카운터 (PC): 다음에 실행할 명령어의 주소

• CPU 레지스터 값: 문맥 교환 시 백업 및 복구해야 할 누산기, 인덱스 레지스터 등의 값

• CPU 스케줄링 정보: 우선순위, 스케줄링 큐 포인터 등

• 메모리 관리 정보: 베이스 레지스터, 한계 레지스터, 페이지 테이블 정보 등

• 입출력 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력 장치 및 열린 파일 목록

프로세스 상태

프로세스는 생성되어 종료될 때까지 상태가 변화하며 실행되는데, 현대 운영체제는 기본 상태 외에 메모리 부족 시 발생하는 보류(Suspended) 상태를 포함하여 관리한다.

• 생성 (New): 프로세스가 생성 중인 단계

• 준비 (Ready): CPU 할당을 기다리는 상태

• 실행 (Running): CPU를 점유하여 명령어를 실행하는 상태

• 대기 (Waiting/Blocked): 입출력 작업 등으로 인해 CPU가 있어도 실행할 수 없는 상태

• 종료 (Terminated): 실행이 완료되어 자원이 회수되는 상태

• 보류 (Suspended): 메모리가 부족하여 프로세스가 디스크의 스왑 영역으로 쫓겨난 상태 (Swap Out)

프로세스 계층 구조

프로세스는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성하는 트리 구조를 형성한다.

• 부모 프로세스와 부모 프로세스에 의해 생성된 자식 프로세스로 구분

• 각기 다른 PID를 가지며, 자식 프로세스는 부모 프로세스의 PID를 PPID로 저장

• 최초의 프로세스는 init 프로세스이며, 모든 프로세스는 init 프로세스로부터 파생

프로세스 생성

프로세스 생성은 주로 fork와 exec 시스템 호출을 통해 이루어진다.

• fork(): 부모 프로세스를 복제하여 새로운 자식 프로세스를 생성

  • 자식 프로세스에 PID를 제외한 코드, 데이터, 힙, 스택 등 모든 자원을 상속

• exec(): 프로세스의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰는 시스템 호출

  • fork로 생성된 껍데기 프로세스에 실제 실행할 코드를 주입하는 역할

참고자료

• 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제