[OS] #7 Process와 Context Switching

1. Process 개요

1.1 Process란?

Process란?

• 실행 중인 프로그램을 말한다.

• 프로그램이 메모리에 적재하고 실행되는 순간 프로세스가 된다.
  
  

  ① 실행 가능한 파일이 메모리에 올라가면 프로세스가 된다.

  ② 해당 방향으로 동적 증가

  ③ 힙 영역과 스택 영역의 크기는 가변적이다. (동적 할당 영역)

  • 힙 영역: 낮은 주소 -> 높은 주소
    
  • 스택 영역: 높은 주소 -> 낮은 주소

• stack
  • 데이터를 일시적으로 저장
  • ex) 함수 매개변수, 지역변수, 반환주소 등
• heap
  • 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장공간 (메모리 동적 할당 가능)
  • 메모리로 할당했다면 반환해야 함. 반환하지 않는다면 메모리 누수가 발생하기 때문
  • ex) 모든 자바 객체 (new 연산자로 생성), C의 Malloc()
• data
  • 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터 저장
  • ex) 전역변수
• text (code)
  • 실행할 수 있는 코드, 기계어로 이뤄진 명령어가 저장
  • 읽기 전용 공간

1.2 Process state⭐

① new ( 생성 ) : 프로세스가 메모리에 적재되어 이제 막 PCB를 할당받은 상태

② ready ( 준비 ) : 실행 상태로 갈 수 있는 유일한 상태, CPU를 할당 받기를 기다림

③ running ( 실행 ) : 프로세스가 CPU를 할당받아 실행중인 상태

• 타이머 인터럽트 발생시(할당된 시간 모두 사용시) -> ready 상태
• 실행 도중 I/O 작업이나 이벤트 발생시, 기다림 -> waiting 상태

④ waiting ( 대기 ) : I/O 작업이나 Event가 발생할 때까지 대기하는 상태

⑤ terminated ( 종료 ) : 프로세스가 종료된 상태, PCB와 메모리 영역 정리

2. Queue

2.1 Ready Queue

메인 메모리에서 running 상태로 가기 위해 기다리는 큐를 말한다.

• 프로세스는 끝으로 들어온다.
• 다음으로 실행할 확률이 가장 높은 프로세스는 head에 존재한다.
• 프로세스가 실행이 끝나면 ready로 이동한다.
• 연결 리스트 구조를 갖는다. (PCB의 포인터만 바꿔주면 되기 때문임)
  
  

그 외에도 스케줄링 큐에는 Job Queue, Device Queue 가 있다.

• Job Queue
  • 모든 프로세스에 대한 큐
• Device Queue
  • I/O 장치에 대한 큐

2.2 Queueing diagram

Queueing diagram을 살펴보자!

① 새로운 프로세스는 초기에 ready queue에 놓인다. 실행을 위해 선택(dispatch) 될 때까지 ready queue에서 기다린다.

② 프로세스가 위 4개(I/O요청, 할당시간 만료…)에 대한 이벤트 처리를 끝내면 다시 ready queue로 돌아온다. -> PCB 반납

3. Process scheduler

3.1 Process scheduler란?

ready 상태인 여러 프로세스 중에서 다음 실행할 프로세스를 선택하고 CPU에 할당하는 것을 말한다.

이러한 할당 과정을 dispatch라고 한다.

3.2 PCB(Process Control Block)

PCB는 프로세스의 정보를 담고 있는 자료 구조이다.

• OS는 프로세스의 상태를 PCB에 기록해 관리한다.
• 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스들을 관리해준다.
• 프로세스 생성 시 커널 영역에 생성, 종료시 폐기된다.

① 프로세스 P₀ 실행

② 인터럽트 or 시스템 콜 발생시 P₀ 정보 PCB에 저장

③ PCB₁에 저장된 P₁정보 로드

④ 프로세스 P₁실행

4. Context Switching

4.1 Context (문맥)

하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보를 말한다.

하나의 프로세스 문맥은 해당 프로세스 PCB에 표현되어 있다.

4.2 Context Switching (문맥 교환)

Context Switching(문맥 교환)은 프로세스의 상태 정보를 교환하는 작업을 말한다.

즉, CPU가 다른 프로세스로 전환하기 위해 현재의 프로세스의 문맥을 PCB에 저장(백업)한 후, 전환하려고 하는 새로운 프로세스의 문맥을 PCB로부터 로딩하는 과정을 말한다.

4.3 문맥교환 오버헤드

문맥교환이 수행되는 동안 idle 상태에 빠지는 것을 말한다.

문맥 교환 동안은 일을 안 하는 것과 같다.

4.4 Context Switching 원리

문맥 교환은 H/W를 통해 수행된다. S/W보다 H/W가 더 빠르기 때문이다.

• ⭐ 문맥 교환은 현행 레지스터 집합에 대한 포인터를 변경한다.
• 문맥 교환 덕분에 여러 프로세스가 끊임없이 빠르게 번갈아가며 실행될 수 있다. (멀티 프로그래밍 효과)