[OS] 프로세스와 PCB(Process Control Block)

📌 프로세스(Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미한다. 프로세스는 운영체제에 의해 관리되며, 독립적으로 실행되고 자원을 할당 받을 수 있는 단위이다. 운영체제는 프로세스들에게 적절히 자원들을 분배하여 여러가지 작업을 수행할 수 있게 한다.

 

📌 프로세스 구조

프로세스를 실행시키기 위해서는 코드의 데이터를 메모리에 올려 실행시켜야 한다. 이때, 프로세스마다 고유한 가상 메모리 공간을 제공하며, 이 공간은 4개로 나눌 수 있다.

 

 

① code 영역(Text Segment)

• 내가 작성한 코드가 저장되는 공간으로, 코드는 컴파일 되어 0과 1로 변환된 기계어가 저장된다.

② Data 영역(Data Segment)

• 내가 작성한 코드에서 선언된 전역 변수, 정적 변수, 상수 등을 저장한다.
• 초기화된 변수와 초기화되지 않은 변수들이 나눠서 저장된다.
• 데이터 영역은 프로그램의 시작 시 초기화되며, 프로세스가 종료될 때까지 유지된다.

③ Stack

• 내가 작성한 함수에서 지역변수, 매개변수, return 주소들을 저장한다.
• 알고리즘에서 사용하는 stack 구조를 사용해서 stack이라고 부른다. 프로세스마다 독립적인 stack을 가질 수 있고, stack 포인터를 통해 스택의 상태를 관리한다.
• 함수가 호출되면 stack 공간이 생성되며, 함수가 종료되면 제거된다.

④ Heap

• 내가 작성한 코드에서 동적으로 생성되는 데이터 구조나 객체들을 저장한다.
• 예를 들면, 객체나 배열을 생성했을 때 프로그램 실행마다 얼마만큼의 데이터가 추가될 지 모른다. 데이터가 추가됨에 따라 유동적으로 공간을 늘릴 수 있는게 힙 영역이다.
• 힙은 동적으로 할당되는 메모리 영역으로, 프로세스가 실행 중에 동적으로 메모리를 할당받고 해제하는데 사용된다.
• 힙은 프로세스의 주소 공간의 나머지 영역에 위치하며, 크기는 동적으로 확장될 수 있다.

 

 

• 전역 데이터 섹션은 초기화된 데이터와 초기화 되지 않은 데이터를 저장하는 다른 섹션으로 나뉜다.
• main() 함수에 전달된 argc , argv는 매개변수가 저장되는 별도의 섹션이 제공된다.
• int i나 int* values는 지역변수로 쓰이므로 stack 칸에 들어가는 것을 볼 수 있다.
• int x,y는 전역 변수 이므로 data 구간에 들어간다.
• heap은 동적할당

📌 프로세스의 상태

 

 

① 프로세스 생성(new)

프로세스가 생성된 상태이다. 생성만 되었고, 아직 실행되기 위한 자원을 할당받지 못한 상태이다.

② 실행 가능(Ready)

프로세스가 실행을 기다리는 상태이다. 프로세스가 필요한 자원을 모두 할당받았으며, 실행을 위한 준비가 완료되었지만 CPU를 할당받지 못한 상태이다. 이 상태에서는 CPU를 할당받기 위해 스케줄링 대기열(Queue)에 들어가게 된다.

③ 실행 상태(Running)

프로세스가 CPU를 할당받아 실제로 코드를 실행하는 상태이다. 이 상태에서는 프로세스가 작업을 처리하고 결과를 만들어 낸다.

④ 대기(Blocked)

프로세스를 처리중에 작업 시간이 초과되거나 자원 사용을 위해 대기해야 하는 이벤트가 발생해서 프로세스가 잠시 멈춘 상태이다. 이 상태에서는 CPU를 사용하지 않는다. 특정 자원을 사용할 수 있을 때까지 실행을 멈추고, 다시 대기열(Ready Queue)로 들어가게 되며, 프로세스 처리 가능 상태가 되면 실행(Running) 상태로 변경한다.

⑤ 종료(Terminated, exit)

프로세스의 실행이 완료되어 종료된 상태이다. 이 상태에서는 할당된 자원이 해제되고, 프로세스의 메모리 공간은 운영체제에 반환된다.

 

📌 프로세스의 흐름

1. new -> ready -> running 프로세스가 생성(New)되면 Ready 상태에 있다.여러개의 프로세스들은 대부분 Ready 상태에 있고, 운영체제의 스케줄링 기법에 따라 그 중 단 1개만 Running 으로 바뀔 수 있다.Running 상태가 되면 실제 CPU를 이용해서 하고자하는 일을 수행한다.
2. running -> waiting -> ready예를 들어 scanf, read, printf 등 외부장치에 대해 입출력을 요구했을 때이다.Waiting이 끝나는 시점은 I/O 이벤트 완료 인터럽트가 발생될 때이다.
3. 이 인터럽트가 발생되면 다시 ready 상태가 되어 다시 스케줄러에 의한 실행을 기다리게 된다.
4. 이 작업은 굉장히 느리기 때문에 CPU는 무작정 기다리는 것이 아니라 상태를 waiting 으로 바꾸게 된다.
5. running 상태에 있는 프로세스는 계속 실행되는 것이 아니라 어떤 조건이 만족되면 상태가 변경된다.
6. running -> exit Running 상태에 있던 프로세스의 종료를 의미한다.
7. running -> ready -> running -> ready -> running -> ready ....1ms ~ 10ms 마다 타이머 인터럽트가 발생하여 운영체제는 현재 실행중인 프로세스를 강제로 중지를 시킨 뒤 ready 상태로 빼놓는다.그리고 ready 상태에 있는 다른 프로세스를 실행 시킨다. 이 과정은 매우 빠르게 상태 변화를 일으키며 반복되기 때문에 마치 여러개의 프로세스가 1개의 CPU를 가지고 동시에 실행되는 것처럼 보인다.=> 이를 통해 운영체제는 멀태태스킹 멀티프로세싱을 달성하게 된다.

 

📌 PCB(Process Control Block)

 

 

프로그램이 실행되면 프로세스의 정보를 저장하는 별도의 공간이 따로 생기게 된다. 운영체제의 커널(Kernel) 또한 하나의 프로그램이므로 프로세스와 같이 정보를 저장할 수 있는 공간(stack, data, heap ...)이 생긴다. 이때, 커널의 데이터(Data) 영역에서는 각 프로세스의 상태, CPU 사용의 정보, 메모리 사용 정보 등 각종 자원을 관리하기 위해서 PCB라는 공간을 둔다.

즉, PCB란 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 데이터 구조이다. PCB는 각 프로세스마다 유지되며, 해당 프로세스의 상태 정보와 제어 정보를 저장한다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 PCB를 할당하고, 프로세스가 종료되면 해당 PCB를 해제한다.

 

PCB에는 다음과 같은 정보들이 저장된다.

 

① 프로세스 상태(Process State)

프로세스의 현재 상태를 나타낸다. 예를 들면, 실행(Running), 준비(Ready), 대기(Waiting) 등의 상태 등이 있다. 이 상태 정보는 프로세스 스케줄링과 상호작용하여 프로세스의 실행을 관리한다.

② 프로그램 카운터(Program Counter, PC)

프로세스가 다음에 실행할 명령어(코드)의 주소를 가리키는 포인터이다. PC는 프로세스가 중단되었을 때 다시 시작할 위치를 알려주는 중요한 역할을 한다.

③ 레지스터(Registers)

프로세스가 현재 실행되는 동안 사용되는 레지스터 값들을 저장한다. 여기서 프로세스가 일시 중단되고 다시 실행 될 때 레지스터 값들을 복원하는 데 사용된다.

④ 스케줄링 정보(Scheduling Information)

프로세스의 우선순위, 할당 된 CPU 시간, 스케줄링 알고리즘과 관련된 정보 등 스케줄링에 필요한 정보를 포함한다.

⑤ 메모리 관리 정보(Memory Management Information)

프로세스가 사용하는 메모리 공간의 주소 범위, 페이지 테이블, 메모리 할당 정보 등과 같이 메모리 관리에 필요한 정보를 저장한다.

⑥ 입출력 상태(I/O state)

프로세스가 현재 사용 중인 입출력 장치와 관련된 정보를 포함한다. 예를 들어, 어떤 입출력 요청을 보내고 있는지, 어떤 파일을 열어두었는지 등의 정보를 저장한다.

CPU는 한 프로세스가 종료될 때까지 수행하는 것이 아니라 여러 프로세스를 중간 중간에 바꿔가면서 수행한다.

그러므로 CPU는 수행중인 프로세스를 나갈 때, 이 프로세스의 정보를 어딘가에 저장하고 있어야 다음에 이 프로세스를 수행할 때 이전에 수행한 그 다음부터 이어서 작업할 수 있다. 이러한 정보를 저장하는 곳이 PCB이다.