프로세스 제어

프로세스 제어

1. 프로세스 제어 블록 (상세)

개념

• 프로세스를 실행하는데 필요한 중요한 정보를 저장하는 자료 구조
• 프로세스는 고유의 PCB를 가짐
• 프로세스 생성 시 만들어져 프로세스가 실행을 완료하면 폐기

프로세스 제어 블록의 구성

• 포인터
  • 준비 상태나 대기 상태의 큐를 구현할 때 사용
• 프로세스 상태
  • 어떤 상태에 있는지 나타냄 (준비, 대기, 실행…)
• 프로세스 구분자
  • 여러 프로세스를 구분하기 위함
• 프로그램 카운터
  • 다음에 실행될 명령어의 위치를 가리킴 (.값)
• 프로세스 우선순위
  • 프로세스의 실행 순서를 결정하는 우선순위
• 각종 레지스터 정보
  • 프로세스가 실행되는 중에 사용하던 레지스터의 값
• 메모리 관리 정보
  • 프로세스가 메모리의 어디에 있는지를 나타내는 메모리 위치 정보
  • 메모리 보호를 위한 경계 레지스터, 한계 레지스터 값 등
• 할당된 자원 정보
  • 프로세스를 위한 입출력 자원이나 오픈 파일 등에 대한 정보
• 계정 정보
  • 계정 번호, CPU 할당 시간, CPU 사용 시간 등
• 부모 프로세스 구분자와 자식 프로세스 구분자
  • 부모 프로세스를 가리키는 PPID와 자식 프로세스를 가리키는 CPID 정보

포인터

• 대기 상태에서는 같은 입출력을 요구한 프로세스끼리 연결할 때 포인터 사용
• 대기 큐는 링크드 리스트를 이용해 구현함

2. 문맥 교환

개요

• CPU를 차지하던 프로세스가 나가고 새로운 프로세스를 받아들이는 과정
• 실행 상태에서 나가는 PCB에는 지금까지의 작업 내용을 저장
• 반대로, 실행 상태로 들어오는 PCB는 해당 내용을 읽어 그것을 기반으로 CPU를 다시 세팅

3. 프로세스의 구조

• 코드 영역
  • 프로그램의 본체가 있는 곳
  • 프로그램의 코드가 기술
  • 읽기 전용
• 데이터 영역
  • 프로그램이 사용하려고 정의한 변수와 데이터가 있는 곳
  • 코드가 실행되면서 사용하는 변수나 파일 등의 데이터를 모아놓음
  • 읽기 쓰기 모두 가능
• 스택 영역, 힙 영역
  • 운영체제가 프로세스를 실행하기 위해 부수적으로 필요한 데이터를 모아놓은 곳
  • 프로세스 내에서 함수를 호출하면 함수를 수행하고 원래 프로그램으로 되돌아올 위치를 이 영역에 저장
  • 파라미터, 로컬 변수도 이 곳에 저장됨
  • 운영체제가 사용자의 프로세를 작동하기 위해 유지하는 영역
    • 사용자에게는 보이지 않음
  • 프로세스가 실행되는 동안 만들어지는 영역
  • 동적 할당 영역
    • 크기가 늘어나기도, 줄어들기도 함

스택 영역

• 스레드가 작동되는 동안 추가되거나 삭제되는 동적 할당 영역
• 스레드가 진행됨에 따라 커지기도, 작아지기도 함

• add(., b)를 호출했다
  • 다음에 실행할 코드의 주소 ①과 add() 함수의 인자인 c, d를 스택 영역에 저장했다
• add() 함수를 실행하며 mul(., d)를 호출했다
  • 역시 다음에 실행할 코드의 주소인 ②와 mul() 함수의 인자인 e,f를 스택에 저장했다.
• 해당 함수가 종료되면 스택을 보고 (.) 어디로 돌아가야 할지 확인함

힙 영역

• 프로그램이 실행되는 동안 할당되는 변수 영역
• 포인터, malloc(), calloc()를 쓸때 해당 영역을 써서 메모리를 할당해줌

4. 프로세스의 생성

fork() 시스템 호출

• 실행 중인 프로세스로부터 새로운 프로세스를 복사
• 실행 중인 프로세스와 똑같은 프로세스가 하나 더 만들어짐
• 실행하던 프로세스는 부모 프로세스, 새로 생긴 프로세스는 자식 프로세스가 됨

fork() 시스템 호출의 동작 과정

• fork() 를 하면
  • 부모 프로세스 영역의 대부분이 자식 프로세스에 복사
    • PCB
    • 코드 영역
    • 데이터 영역
    • 스택 영역
• 단 PCB의 일부가 변경됨
  • 프로세스 구분자
  • 메모리 관련 정보
  • 부모 프로세스 구분자와 자식 프로세스 구분자

fork() 시스템 호출의 장점

• 프로세스 생성 속도가 빠름
• 추가 작업 없이 자원 상속
• 시스템 관리를 효율적으로

fork() 시스템 호출의 예

• 부모 프로세스의 코드가 실행되어 fork() 문을 만나면 똑같은 내용의 자식 프로세스를 생성
• 이 때 fork() 문은
  • 부모 프로세스에 0보다 큰 값을 반환
  • 자식 프로세스에 0을 반환
• 만약 0보다 작은 값을 반환하면 자식 프로세스가 생성되지 않은 것으로 여겨 Error 출력

5. exec() 시스템 호출

fork()

• 새로운 프로세스를 복사하는 시스템 호출

exec()

• 프로세스는 그대로 두고 프로세스의 내용만 바꾸는 시스템 호출
• 이미 만들어진 프로세스의 구조를 재활용하는 것

6. exec()의 동작 과정

• 코드 영역에 있는 기존의 내용을 지우고 새로운 코드로 바꿈
• 데이터 영역이 새로운 변수로 채워짐
• 스택 영역이 리셋됨
• PCB의 내용 중 프로세스 구분자, 부모 프로세스 구분자, 자식 프로세스 구분자, 메모리 관련 사항은 변하지 않음
• 그러나 프로세스 카운터 레지스터 값을 비록한 각종 레지스터와 사용된 파일 정보들은 리셋됨

7. exec() 시스템 호출의 예

• exec()를 해도 PCB의 각종 프로세스 구분자 (., PPID, CPID)가 변경되지 않음
  • 때문에 프로세스가 종료된 후 부모 프로세스로 돌아올 수 있다.
• wait()
  • 자식 프로세스가 종료할 때 까지 대기

8. 프로세스의 계층 구조

• 유닉스의 모든 프로세스는 init 프로세스의 자식임
• 트리 구조를 이룬다
• 쉘에서 어떤 프로그램을 실행할 때도 fork() 후 exec()를 하는 방식이다

프로세스 계층 구조의 장점

1. 여러 작업을 동시에 처리할 수 있다
2. 프로세스의 재사용이 용이하다
3. 자원 회수가 쉽다
   • 프로세스 간의 책임 관계가 분명해져서 시스템을 관리하기 수월

좀비 프로세스

• 프로세스가 종료된 후에도 커널에 프로세스 정보가 비정상적으로 남아있는 프로세스
• 자식 프로세스가 종료되었지만 부모 프로세스가 wait()를 하지 않음
  • 따라서 부모 프로세스가 커널이 정리작업을 하도록 하지 않음

미아 프로세스

• 자식 프로세스 종료 전 부모 프로세스가 종료한 경우 발생
• 이럴 경우 init 프로세스가 내부적으로 wait()를 해줌
  • 미아 프로세스가 좀비 프로세스가 되는 것을 방지하기 위함

9. exit()와 wait()

exit() 시스템 호출

• 작업의 종료를 알려줌
• 자식 프로세스가 exit()를 호출함으로써, 부모 프로세스는 자식 프로세스가 사용하던 자원을 빨리 거둬갈 수 있음
• exit() 함수가 전달하는 인자로 자식 프로세스가 어떤 상태로 종료되었는지 알려줄 수 있음
  • exit(.) = 정상종료
  • exit(-1) = 비정상정료

wait() 시스템 호출

• 자식 프로세스가 끝나기를 기다렸다가 자식 프로세스가 종료되면 다음 문장을 실행
• 자식이 미아 프로세스가 되는 것을 막아줌
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스보다 빨리 끝나지 않도록 해줌

쉘에서 프로그램을 실행시킬 때

• foreground에서 실행시킬 경우
  • wait() 함수를 사용함
  • 그래서 다음 명령어를 입력할 수 없는 것
• background에서 실행시킬 경우
  • wait() 함수를 사용하지 않음
  • 그래서 다음 명령어를 입력할 수 있음