오퍼레이팅 시스템 [5] - Process 란?

20 Jul 2023 in STUDY LOG / OS

‘프로세스의 정의와 그 구조’

Process 란?

Process 란?

실행중인 Program.
프로세서에 등록되고 실행될 수 있는 개체
Instruction들의 실행, 현재 상태, 사용하는 시스템 자원 등으로 특정되는 하나의 작업 단위
OS의 시점에서 Job, Task, Process는 비슷한 용도로 사용된다.
- 물론 디테일하게 들어가면 완전히 같은 뜻은 아니다.

ex) Mark Kernel 은 프로세스를 자원단위로 나눈 Task, 실행단위로 나눈 Thread로 구분했다.

Program 과 Process

Program은 디스크에 저장되어있는 수동적인 개체이고,
Process는 실행되는 능동적 개체이다.
- 즉, Program의 실행관련 파일들이 Main Memory의 Stack, Heap 에 Load 되면 Process가 된다.
Process의 2개의 필수요소
1. 코드
2. 코드에 필요한 Data의 집합
프로그램에 따른 메모리 Layout

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX 3
int x;
int y = 10;
int read(int num){
  int sum = 0;
  ...
  return sum
}
int cout(){
  int cnt;
  ...
  return cnt;
}
int main(int argc, char* argv[]){
  int *values;
  values = (int *)malloc(sizeof(int)*5);
  x = count();
  ...
  return 0;
}

위와 같은 코드가 있을경우, 전역변수인 x, y는 각각 uninitialized data, initialized data에 저장, 지역변수인 sum, cnt, values 는 Stack에, malloc을 이용해 동적할당한 데이터는 Heap에 저장된다.

Stack

Last-In-Fist-Out(LIFO)의 리스트로, 실행중인 프로세스의 실행 순서정보(Excution Sequence)와 임시 데이터(Temporal Data)를 저장하는 역할을 한다.

Excution Sequence

Process가 Call을 실행해 다른 주소의 instruction을 실행할 경우, 다시 돌아올 수 있게 return address, 이어질 procedure에게 전달할 Parameters를 순서대로 Stack에 저장해둔다.
이로인해 이루어지는 실행과정이 Excution Sequence 이다.

Stack의 구성요소

Stack Pointer
현재 스택의 Top의 주소를 저장한다.
Stack Base
스택의 시작주소를 저장한다.
Stack Limit
스택이 최대로 저장할수 있는 한계의 주소를 저장한다.
위의 그림처럼 Stack은 메모리에서 높은 주소에서 낮은 주소로 내려오며 저장된다. 즉, Stack base가 가장 큰 주소값을 갖는다.

PCB

Process Control Block(PCB)
OS에서 가장 중요한 데이터 구조이며, 프로세스의 대한 모든정보를 저장하는 구조체이다.
프로세서가 실행되는 도중, Interrupt가 들어오는 경우, 프로세서의 당시의 레지스터와 중간 DATA를 PCB에 저장해 둘 수 있다.
후에 다룰 Multiprocessing시스템에서 OS가 다수의 프로세스를 실행 가능하도록 한다.

PCB의 구조

Process Identification
프로세스의 주민번호같은 역할.
Process State Information
가장 중요한 정보로, PCB의 주목표라고 할 수 있다. PC, PSW 레지스터 등의 프로세스의 현재 상태가 저장된다.
Process Control Information
프로세스를 실행, 스케쥴링함에 있어 필요한 정보를 저장한다.

OS가 프로세스 실행시 가장 처음으로 PCB를 만든다.
프로세스를 실행시 계속해서 read, modify 되며, Scheduling을 위한 Queue가 여러 프로세스의 PCB가 연결되어있는 구조이다.

Process Switch

프로세스가 바뀌는 과정으로 Timer Interrupt(time-out), System call(I/O request), Exception에 의해 발생한다.
Process Switch는 언제나 Mode Switch를 유발한다.
- 유저 레벨에서는 다음 실행될 프로세스를 고르는 Scheduler 코드(Dispatcher Code)를 실행하지 못하므로 커널모드로 진입후 다음 실행될 프로세스를 고르고, Process Switch후 다시 유저모드로 Mode Switch한다.
- Process Switch는 무조건 Mode Switch를 유발하지만, Mode Switch는 언제나 Process Switch를 발생시키는것은 아니다.

Process States

Two-State Process Model

Process를 실행중, 실행중이 아님 2단계로 나누어 관리한다.
문제점 : 실행중이 아닌 프로세스 Queue에서 다음 실행될 프로세스를 DisPatch 했을때, 아직 I/O 단계가 끝나지 않아 실행 준비가 되어있지 않을 수 있다.(Fire State)
프로세스의 추가적인 State가 필요해짐.

Five-State Process Model

Two-State process model의 Not Running단계를 Ready, Blocked의 두단계로 세분화 하였다.
- New : PCB가 아직 완성 안된 임시 State
- Ready : 바로 실행될수 있는 상태
- Blocked : 아직 I/O작업이 완료되지 않은 실행불가능한 상태
- Running : 실행중
- Exit : 실행완료
Multiple Blocked Queue
Blocked Queue를 여러개 만들어 특정 이벤트를 기다리는 프로세스들끼리 구분하여 Blocked 시킬수 있다.
Suspended Process : 프로세스가 실행되지 않았을때(Ready/Blocked), 메모리가 아닌 Disk에 저장되어있는 상태를 추가함으로서 Seven State Process Model 또한 구현 가능하다.

교재 외 참고문헌
https://www.scaler.com/topics/c/memory-layout-in-c/

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