프로세스 상태와 계층 구조
PCB를 자세히 다뤄봅니다.
운영체제는 컴퓨터 시스템에서 여러 프로세스를 효율적으로 관리합니다.
프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미하며, 각 프로세스는 다양한 상태를 가지며 계층적인 구조를 형성합니다.
이번 포스팅에서는 프로세스의 상태와 계층 구조에 대해 알아보겠습니다.
프로세스 상태
프로세스는 실행되는 동안 다양한 상태를 거칩니다.
운영체제는 프로세스의 상태를 프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)을 통해 관리합니다.
주요 프로세스 상태는 다음과 같습니다:
- 생성 상태 (new): 프로세스가 메모리에 적재되어 PCB를 할당받는 상태.
- 준비 상태 (ready): CPU를 할당받기 위해 대기 중인 상태.
준비 상태에서 실행 상태로 전환되는 것을 디스패치(dispatch)라고 합니다. - 실행 상태 (running): CPU를 할당받아 실행 중인 상태.
할당된 시간을 모두 사용하면 다시 준비 상태로 돌아가거나, 입출력 작업을 위해 대기 상태로 전환됩니다. - 대기 상태 (blocked): 입출력 작업 등의 특정 이벤트를 기다리는 상태.
입출력 작업이 완료되면 다시 준비 상태로 돌아갑니다. - 종료 상태 (terminated): 프로세스가 종료된 상태로, 운영체제가 PCB와 사용된 메모리를 정리합니다.
의문: 종료 상태가 되면 PCB가 제거되는데, 제거된다 함은 종료 상태임을 알 수 없는 것 아닌가?
종료 상태가 된 프로세스는 좀비 상태로 존재하게 됩니다.
이는 부모 프로세스가 자원을 회수할 때까지 메모리에 남아 있게 하여 추적할 수 있도록 합니다.
부모 프로세스가 자원을 회수하면 그때 PCB가 완전히 제거됩니다.
프로세스 상태 다이어그램
프로세스의 상태 전환을 시각적으로 나타낸 프로세스 상태 다이어그램은 다음과 같습니다:
프로세스 계층 구조
프로세스는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있습니다.
부모 프로세스는 자식 프로세스를 생성하며, 이들 프로세스는 계층적인 구조를 형성합니다.
예를 들어, 최초의 프로세스는 시스템 부팅 시 생성되며, 자식 프로세스들을 생성하여 트리 구조를 형성합니다.
- 부모 프로세스 (parent process): 다른 프로세스를 생성한 프로세스.
- 자식 프로세스 (child process): 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스. 각기 다른 PID를 가집니다.
프로세스 계층 구조 예시
사용자가 컴퓨터를 켜고 로그인한 후, bash 셸을 통해 Vim 편집기를 실행하는 과정을 예로 들면 다음과 같습니다:
- 최초 프로세스가 로그인 프로세스를 생성.
- 로그인 프로세스가 사용자 인터페이스 프로세스를 생성.
- 사용자 인터페이스 프로세스가 Vim 프로세스를 생성.
의문: unix init, linux systemd, macOS launchd의 d는 무엇을 의미하나?
‘d’는 daemon의 약자로, 시스템에서 백그라운드에서 실행되는 프로세스를 의미합니다.
프로세스 생성 기법
운영체제는 fork와 exec 시스템 호출을 통해 프로세스를 생성하고 실행합니다:
- fork: 부모 프로세스의 복사본을 자식 프로세스로 생성.
- exec: 자식 프로세스의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰는 시스템 호출.
의문: fork-exec 형식을 굳이 해야 하나? ‘복사’되는 과정에서 오버헤드가 있지는 않을까?
현대 운영체제는 copy on write 기술을 통해 오버헤드를 줄입니다.
실제로 메모리를 복사하지 않고, 부모 프로세스의 메모리를 공유하다가 변경(쓰기)이 일어날 때만 실제로 메모리 복사를 진행합니다.
예시
bash 셸에서 ls 명령어를 실행할 때, 셸 프로세스는 fork를 통해 자신과 동일한 프로세스를 생성하고,
자식 프로세스는 exec를 통해 ls 명령어를 실행합니다.
결론
운영체제는 프로세스를 다양한 상태로 관리하고, 계층적인 구조로 프로세스를 생성합니다.
이를 통해 시스템 자원을 효율적으로 활용하고 안정적인 프로그램 실행을 보장합니다.
확인 문제
- 최초 프로세스가 로그인 프로세스를 생성하고, 로그인 프로세스는 bash 프로세스를,
bash 프로세스는 Vim 프로세스를 생성했다고 가정해 보겠습니다.- bash 프로세스의 부모 프로세스는 무엇인가요?
- bash 프로세스의 자식 프로세스는 무엇인가요?
- Vim 프로세스의 부모 프로세스는 무엇인가요?
- fork와 exec에 대한 설명으로 옳지 않은 것을 고르세요.
- fork 시스템 호출을 하면 새로운 폴더가 생성됩니다.
- fork 시스템 호출을 하면 부모 프로세스의 복제본이 자식 프로세스로서 생성됩니다.
- exec 시스템 호출을 하면 프로세스의 메모리 공간이 다른 프로세스의 내용으로 변경됩니다.
- 많은 운영체제는 fork와 exec을 통해 프로세스 계층 구조를 형성합니다.
- 프로세스 상태에 대한 설명으로 옳은 것을 고르세요.
- 생성 상태는 프로세스가 입출력 장치의 작업을 기다리는 상태입니다.
- 실행 상태는 프로세스가 종료되는 상태입니다.
- 종료 상태는 프로세스가 이제 막 생성된 상태입니다.
- 준비 상태는 CPU를 할당받기를 기다리고 있는 상태입니다.