프로세스 관리

프로세스 구조

실행 중 프로세스 생성 시스템을 호출, 새로운 프로세스를 생성 가능.

이때 프로세스 생성 순서 저장, 부모/자식 관계를 유지하며 계층적으로 생성됨.

- 부모 프로세스(Parent Process) : 생성하는 프로세스.

- 자식 프로세스(Child Process) or 서브 프로세스(Sub Process) : 생성되는 프로세스.

유닉스 시스템의 일반적인 프로세스 계층 구조 (그림 3-9)

- 처음 부팅 시 식별자(PID, Process ID)가 0인 첫 번째 프로세스 Swapper 생성.

- 이어서 Init(PID=1), Pagedeamon(PID=2) 생성.

- Swapper(PID=0), Pagedeamon(PID=2)를 운영체제(커널)프로세스라 하며 운영체제 모드에서만 실행.

- 모든 사용자 프로세스는 fork() 명령을 통해 계층적으로 Init의 자식 프로세스로 생성됨.

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프로세스 생성

프로세스는 운영체제 또는 다른 사용자의 응용 프로그램 요청에 의해 생성.

운영체제가 새로운 프로세스를 생성, 추가하려면 프로세스 관리를 위한 프로세스 제어 블록을 만든 후 프로세스에 주소 공간을 할당해야 함.

- 일괄 처리 환경에서는 실행을 위해 작업이 준비 큐에 도착할 때 생성.

- 대화형 환경에서는 새로운 사용자가 로그온(Log-on)할 때 생성.

프로세스 생성을 위해 다음과 같은 작업이 필요함.

- 프로세스 식별자 결정.

- 시스템에 알려진 프로세스 리스트에 식별자 삽입.

- 프로세스에 초기 우선 순위 부여.

- 프로세스 제어 블록 생성.

- 프로세스에 초기 자원 할당.

프로세스 생성 과정.

1 단계 : 새로운 프로세스에 프로세스 식별자 할당.

2 단계 : 프로세스의 모든 구성 요소를 포함할 수 있는 주소 공간, 프로세스 제어 블록 공간 할당.

3 단계 : 프로세스 제어 블록 초기화.

- 프로세스의 상태 정보/프로그램 카운터/스택 포인터 등의 초기화, 자원 요청, 프로세스 제어 정보 (우선 순위) 등

4 단계 : 링크(해당 큐에 삽입).

프로세스가 작업을 수행하기 위해 자원 필요.

자식 프로세스 생성 시 필요한 자원을 운영체제로부터 직접 또는 부모 프로세스의 자원 일부 사용 가능.

부모 프로세스는 자식 프로세스에 자원을 나눠주거나 일부 자원 공유 가능.

- 자원의 일부만 사용하도록 제한하면 시스템에 부담을 주는 것을 방지 가능함.

- 프로세스 생성 시 획득하는 다양한 물리적, 논리적 자원 외에도 약간의 초기화 데이터가 부모 프로세스에서 자식 프로세스로 전달되는 경우도 있음.

새로운 프로세스 생성 시 실행과 관련해 다음 두 가지 경우가 가능함.

부모 프로세스와 자식 프로세스가 동시에 실행됨.

부모 프로세스는 자식 프로세스들이 모두 종료될 때까지 기다림.

새로운 프로세스의 주소 공간은 다음 두 가지 경우가 가능함.

자식 프로세스가 부모 프로세스의 주소 공간을 복사.

- 유닉스는 각 프로세스마다 정수로 된 고유한 프로세스 식별자를 가짐.

- 새로운 프로세스는 fork() 명령에 의해 생성, 주소 공간은 부모 프로세스의 주소 공간을 복사함.

- 부모 프로세스와 자식 프로세스의 정보 교환이 쉬움.

자식 프로세스가 별도의 프로그램을 적재.

※ 윈도우 NT 계열은 새로운 프로세스의 주소 공간을 두 가지 방식을 모두 지원.

프로세스 종료

프로세스가 명령 실행 후 종료되고 운영체제에 프로세스 삭제 요청

일괄 처리 환경 : 작업 종료를 의미하는 신호로 인터럽트 발생 또는 시스템 호출로 중지명령 전달, 프로세스 완료.

대화형 환경 : 사용자가 로그오프(Log-off)하거나 터미널을 닫을 때 또는 오류에 의해 프로세스 종료.

abort 시스템 호출을 이용한 프로세스 종료.

- 종료되는 프로세스를 생성한 부모 프로세스만 호출 가능.

- 부모 프로세스가 자식 프로세스의 생존권을 가져 다른 프로세스가 임의로 작업을 중단시킬 수 없음.

- 자식 프로세스 종료 시 자식 프로세서의 신원(Identity)이 부모 프로세스로 전달.

부모 프로세스는 아래의 이유로 자식 프로세스 종료 가능

자식 프로세스가 할당된 자원을 초과하여 자원을 사용할 때.

자식 프로세스에 할당된 작업(Task)이 더 이상 없을 때.

연속 종료

시스템이 부모 프로세스 종료 시 자식 프로세스의 존재를 허용하지 않아 종료시키는 현상으로 운영체제가 수행함.

- 유닉스에서 exit 명령으로 프로세스 종료, 부모 프로세스는 wait 명령을 사용하여 자식 프로세스의 종료를 기다림.

- wait 명령 : 종료된 자식의 프로세스 식별자를 부모 프로세스에 전달함.

프로세스를 종료하는 경우와 그 예

정상 종료 : 프로세스가 운영체제의 서비스를 호출한 경우.

시간 초과 : 프로세스가 명시된 전체 시간을 초과하여 실행되거나 명시된 시간을 초과하면서 어떤 이벤트 발생을 기다리는 경우.

실패 : 파일 검색 실패, 명시된 횟수를 초과하여 입출력이 실패한 경우.

산술 오류, 보호 오류, 데이터 오류 등.

메모리 부족, 접근 위반 등

프로세스 제거

프로세스를 파괴하는 것.

제거 시 프로세스에 속한 자원을 시스템에 돌려주고 해당 프로세스는 시스템 리스트나 테이블에서 사라지며, 프로세스 제어 블록 회수.

프로그램은 디스크에 저장됨.

프로세스 중단과 재시작

프로세스 중단(일시 정지)

프로세서의 동작 시간과 입출력 동작 시간의 차이로 시스템의 활동 시간이 유휴 상태로 되는 것을 해결 가능.

장시간 중단되는 경우 해당 프로세스에 할당된 자원을 다시 풀어주어야 하며, 풀어줄 자원의 결정은 자원의 성질에 따라 결정.

다중 프로그래밍에서 중단은 자원 부족(대기) 상태를 의미하기도 함.

- 다중 프로그래밍 환경에서는 자원의 이용률과 시스템 효율 향상을 위해 자원을 동적으로 할당.

- 교착상태 발생 시 문제 생김.

- 중단 : 할당된 자원을 기다리는 상태.

- 대기 : 자원을 할당 받기 위해 기다리는 상태.

운영체제는 다음 두 가지 방법으로 프로세스를 실행 가능.

새로운 프로세스를 생성하여 실행.

이미 실행 중인 프로세스를 중단시켰다가 다시 실행.

- 시스템 전체의 부하를 증가시키지 않으면서 프로세스에 서비스 제공 가능.

- 특정 이벤트 발생을 기다리며 대기 상태가 되므로 해당 이벤트 발생 시 즉시 실행 상태로 변화 가능.

프로세스 재시작

중단 원인이 제거되어 프로세스가 다시 실행되는 것.

중단되었던 프로세스는 중단되었던 지점부터 다시 시작.

프로세스 중단과 재시작은 다음과 같은 경우에 발생함.

시스템에 장애가 발생하면 실행 중인 프로세스는 잠시 중단했다가, 시스템이 기능을 회복했을 때 다시 재시작할 수 있다.

프로세스의 어느 부분이 의심스러울 때 사용자는 실행 중인 프로세스를 중단하여 확인한 후 재시작하거나 정지할 수 있다.

처리할 일이 너무 많아 시스템 부담이 크면 프로세스 몇 개를 중단했다가 시스템이 다시 정상 상태로 돌아왔을 때 재시작할 수 있다.

대표

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중단과 재시작을 추가한 프로세스 상태 변화(그림 3-10)

- 중단 : 프로세스 자신 또는 다른 프로세스에 의해 가능.

- 단일 처리 시스템 : 프로세스 자신이 중단시켜야 함.

- 다중 처리 시스템 : 다른 프로세서에 의해서도 가능하지만, 다른 프로 세서가 재시작 시켜주기 전엔 실행 불가능.

프로세스 우선 순위 변경

프로세스 제어 블록의 우선 순위 값 변경 가능.

준비 리스트의 프로세스는 프로세서 중심 프로세스(낮은 우선 순위)와 입출력 중심 프로세스(높은 우선 순위)로 구분.

- 우선 순위가 낮은 프로세스 : 시간 할당량을 크게 제공.

- 우선 순위가 높은 프로세스 : 시간 할당량을 적게 제공.

※ 입출력 중심의 프로세스를 자주 짧게 사용, 프로세서 중심 프로세스는 사용 횟수는 적으나 한번에 오래 사용하게 하여 균형을 유지함.

입출력 프로세스

- 높은 우선 순위 : 속도가 느리면서 빠른 응답을 요구하는 단말기 입출력 프로세스.

- 낮은 우선 순위 : 속도가 빠른 디스크 입출력 프로세스.

프로세스 스케줄러는 준비 리스트의 우선 순위를 이용해 프로세스를 처리.

할당 시간을 초과할 경우 프로세스 실행 상태에서 준비 상태로 변경.

문맥 교환(Context Switching)

프로세스 교환

실행 중인 프로세스가 인터럽트되면 운영체제가 다른 프로세스를 실행 상태로 변경, 해당 프로세스에 제어를 넘겨주는 과정에서 실행 중인 프로세스로부터 제어를 인수한 운영체제가 또 다른 프로세스에 제어를 넘겨주기 위해 발생.

- 인터럽트 처리 루틴을 실행한 후 현재 실행 중인 프로세스가 재실행될 수 있으므로 대부분의 운영체제는 프로세스 교환으로 인터럽트가 발생하지 않음.

- 트랩은 시스템이 치명적인 오류인지를 판단, 치명적 오류일 경우 프로세스를 종료하면서 프로세스 교환 발생.

문맥 교환

프로세스를 다른 프로세스로 교환하기 위해 이전 프로세스의 상태 레지스터 내용을 보관하고 다른 프로세스의 레지스터를 적재하는 일련의 과정.

- 프로세스가 “준비→실행”, “실행→준비”, “실행→대기”상태로 변할 때 발생.

- 오버헤드가 발생하며 오버헤드는 메모리 속도, 레지스터 수, 특수 명령어의 존재에 따라 다르므로 시스템마다 다름.

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인터럽트(Interrupt)

현재 실행되는 프로세스와 별도로 외부에서 발생되는 여러 종류의 이벤트(입출력 동작의 종료 등)에 의해 발생.

제어가 인터럽트 처리 루틴으로 넘어간 후에도 기본 시스템 관리 작업을 처리, 인터럽트 형태에 따라 관련된 운영체제 루틴으로 분기.

대표적인 인터럽트 예

- 입출력 인터럽트 : 입출력 동작이 발생한 사실을 확인 후 이벤트를 기다리는 프로세스를 준비 상태로 변경, 실행할 프로세스를 결정.

- 클록 인터럽트 : 현재 실행 주인 프로세스의 할당 시간을 조사하여 실행 중인 프로세스를 준비 상태로 변경, 다른 프로세스를 디스패치하여 실행 상태로 변경.

트랩(Trap)

부적절한 파일 접근 또는 현재 실행 중인 프로세스에 의해 발생되는 오류나 예외 상황으로 인해 발생.