프로세스 제어 블록

3. 구조

멀티태스킹 운영 체제에서 PCB는 정확하고 효율적인 프로세스 관리에 필요한 데이터를 저장한다.^[4] 이러한 구조는 시스템에 따라 다르지만, 일반적인 요소는 프로세스 식별, 프로세스 상태, 프로세스 제어의 세 가지 주요 범주로 나뉜다.^[4]

메모리, I/O 장치, 파일 및 프로세스를 설명하는 각 관련 엔티티에 대한 상태 테이블이 존재한다. 예를 들어, 메모리 테이블에는 각 프로세스에 대한 주 메모리 및 보조 (가상) 메모리의 할당, 서로 다른 프로세스 간에 공유되는 메모리 영역에 액세스하기 위한 권한 속성 등에 대한 정보가 포함되어 있다. I/O 테이블에는 장치의 가용성 또는 프로세스에의 할당, I/O 작업의 상태, I/O 작업에 사용되는 메모리 버퍼의 위치 등을 나타내는 항목이 있을 수 있다.

PCB는 일반적으로 다음과 같은 정보를 포함한다.^[4]

3. 1. 프로세스 식별 정보

• 프로세스를 식별하는 번호(프로세스 식별자 또는 PID)
• 해당 프로세스의 주소 공간(의 관리 데이터)
• 열린 파일과 소켓의 목록
• 프로세스 계정 정보: 프로세스가 최근에 동작한 시간, 지금까지 소비한 CPU 시간의 합계 등^[4]

3. 2. 프로세스 상태 정보

• 프로세스 상태: 프로세스의 현재 상태를 나타낸다. 생성(create), 준비(ready), 실행(running), 대기(waiting), 완료(terminated) 상태 등이 있다. 유예준비상태(suspended ready)와 유예대기상태(suspended wait)는 스택이 아닌 디스크(disk)에 저장된다.
• 프로그램 계수기(PC): 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킨다.
• CPU 레지스터: 실행 상태를 위해 프로세스를 저장해야 하는 레지스터 세트이다.
• CPU 스케줄링 정보: CPU 시간을 스케줄링하는 데 필요한 정보이다. 우선순위, 최종 실행 시각, CPU 점유 시간 등이 포함된다.
• 메모리 관리 정보: 페이지 테이블, 메모리 제한, 세그먼트 테이블 등 메모리 관리에 필요한 정보이다.
• 입출력(I/O) 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력 장치 목록과 열린 파일 목록 등이 포함된다.
• 프로세스 계정 정보: 프로세스가 최근에 동작한 시간, 지금까지 소비한 CPU 시간의 합계 등
• 프로세스 구조화 정보: 프로세스의 자식 ID 또는 현재 프로세스와 기능적 방식으로 관련된 다른 프로세스의 ID (큐, 링 또는 기타 데이터 구조로 나타낼 수 있음).
• 프로세스 간 통신 정보: 독립 프로세스 간의 통신과 관련된 플래그, 신호 및 메시지.
• 프로세스 권한: 시스템 리소스에 대한 허용/거부된 액세스.

3. 3. 프로세스 제어 정보

• 프로세스 식별자(Process ID)
• 프로세스 상태(Process State): 생성(create), 준비(ready), 실행(running), 대기(waiting), 완료(terminated) 상태 등이 있다.
• 프로그램 계수기(Program Counter): 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킨다.
• CPU 레지스터 및 일반 레지스터
• CPU 스케줄링 정보: 우선 순위, 최종 실행시각, CPU 점유시간 등
• 메모리 관리 정보: 해당 프로세스의 주소 공간 등
• 프로세스 계정 정보: 페이지 테이블, 스케줄링 큐 포인터, 소유자, 부모 등
• 입출력 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력장치 목록, 열린 파일 목록 등

• 프로세스 식별
• 프로세스 상태
• 프로세스 제어

• 프로세스에 대한 고유 식별자 (거의 항상 정수)
• 상위 프로세스의 식별자
• 사용자 식별자
• 사용자 그룹 식별자

• 범용 CPU 레지스터의 내용
• CPU 프로세스 상태 워드
• 스택 및 프레임 포인터 등

• 프로세스 스케줄링 상태
• "준비", "일시 중단" 등과 관련하여 프로세스의 상태, 우선 순위 값, 프로세스가 CPU 제어를 얻은 이후 또는 일시 중단된 이후 경과된 시간 등과 같은 다른 스케줄링 정보.
• 일시 중단된 프로세스의 경우 프로세스가 대기 중인 이벤트에 대한 이벤트 식별 데이터를 기록해야 한다.
• 프로세스 구조화 정보 - 프로세스의 자식 ID 또는 현재 프로세스와 기능적 방식으로 관련된 다른 프로세스의 ID (큐, 링 또는 기타 데이터 구조로 나타낼 수 있음).
• 프로세스 간 통신 정보 - 독립 프로세스 간의 통신과 관련된 플래그, 신호 및 메시지.
• 프로세스 권한 - 시스템 리소스에 대한 허용/거부된 액세스.
• 프로세스 상태 - 새 프로세스, 준비, 실행 중, 대기, 종료.
• 프로세스 번호 (PID) - 각 프로세스에 대한 고유 식별 번호 (프로세스 ID라고도 함).
• 프로그램 카운터 (PC) - 이 프로세스에 대해 실행될 다음 명령어의 주소를 가리키는 포인터.
• CPU 레지스터 - 실행 상태를 위해 프로세스를 저장해야 하는 레지스터 세트.
• CPU 스케줄링 정보 - CPU 시간을 스케줄링하는 정보.
• 메모리 관리 정보 - 페이지 테이블, 메모리 제한, 세그먼트 테이블.
• 회계 정보 - 프로세스 실행에 사용된 CPU의 양, 시간 제한, 실행 ID 등.
• I/O 상태 정보 - 프로세스에 할당된 I/O 장치 목록.

• 프로세스를 식별하는 번호(프로세스 식별자, 또는 PID)
• 해당 프로세스의 레지스터 값
• 해당 프로세스의 프로그램 카운터 값
• 해당 프로세스의 주소 공간(의 관리 데이터)
• 열린 파일과 소켓의 목록
• 프로세스 계정 정보: 프로세스가 최근에 동작한 시간, 지금까지 소비한 CPU 시간의 합계 등

4. 위치

PCB는 프로세스의 중요한 정보를 담고 있어 일반 사용자가 접근할 수 없도록 보호된 메모리 영역에 보관된다. 일부 운영 체제에서는 PCB가 커널 스택의 처음에 위치하는데, 이는 편리하면서도 보호를 받는 위치이기 때문이다.^[7][5]

커널 내 코드는 현재 실행 중인 프로세스의 PCB에 자주 접근한다. 보통 전역 포인터 변수를 사용하여 현재 프로세스의 PCB (카렌트 PCB)를 가리킨다. 시스템 콜 처리는 프로세스마다 이루어지므로, 커널 스택은 각 프로세스마다 필요하다. 이를 쉽게 관리하기 위해 PCB와 커널 스택을 함께 두는 경우가 많다.

전역 변수를 사용하면 간접 접근으로 인해 성능이 떨어질 수 있다. 성능 향상을 위해 카렌트 PCB를 고정된 가상 주소에 매핑하기도 한다. 예를 들어 MIPS 아키텍처에서는 0번지 전후 접근 시 제로 레지스터 (내용이 항상 0)를 포인터처럼 사용하여 효율적인 코드를 작성할 수 있다. 이를 통해 가상 공간의 가장 큰 주소 (32비트의 경우 0xFFFFFFFF) 근처에 PCB와 커널 스택을 매핑하는 경우가 많다 (음수 오프셋과 제로 레지스터로 PCB 접근 가능).

일반적으로 커널 내에서는 프로세스마다 스택이 존재하므로, 그 크기는 사용자 공간의 콜 스택만큼 크게 할 수 없다. 따라서 커널 내 코드는 스택에 큰 지역 변수 영역을 만들지 않도록 주의해야 하며, 재귀 호출도 피해야 한다.

멀티 프로세싱 환경에서는 각 프로세서가 서로 다른 프로세스를 실행하므로, 카렌트 PCB도 프로세서마다 존재한다.

5. 카렌트 PCB

커널 내의 코드는 현재 실행 중인 프로세스의 프로세스 제어 블록(PCB)에 자주 접근한다. 보통 전역 포인터 변수를 사용하여 현재 프로세스의 PCB (카렌트 PCB)를 가리킨다.^[1] 커널 내의 시스템 콜 처리는 프로세스마다 이루어지므로, 커널 스택도 프로세스마다 필요하다.^[1] 이들을 쉽게 관리하기 위해 PCB와 커널 스택을 하나로 합치는 경우가 있다.^[1]

전역 변수를 사용하면 간접 접근이 발생하여 성능이 저하될 수 있다.^[1] 따라서 성능 향상을 위해 카렌트 PCB를 고정된 가상 주소에 매핑하기도 한다.^[1] 예를 들어, MIPS 아키텍처에서는 0번지 근처에 접근할 때 제로 레지스터(내용이 항상 0)를 포인터처럼 사용하여 매우 효율적인 코드를 작성할 수 있다.^[1] 이를 이용하여 가상 공간의 가장 큰 주소(32비트라면 0xFFFFFFFF) 근처에 PCB와 커널 스택을 매핑하는 경우가 많다(음수 오프셋과 제로 레지스터로 PCB에 접근 가능).^[1]

멀티 프로세싱에서는 각 프로세서가 각각 다른 프로세스를 실행하므로, 카렌트 PCB도 프로세서마다 존재한다.^[1]

6. 라이트웨이트 프로세스 (Lightweight Process)

사용자 프로세스의 멀티 스레드를 커널이 인식하고 처리하는 경우 (라이트웨이트 프로세스), 각 스레드는 커널 내에 컨텍스트를 가진다. 따라서 PCB는 프로세스 전체에 관련된 부분(주소 공간 관련 및 파일 관련)과 컨텍스트 스위칭에 관련된 부분으로 나뉘며, 후자는 스레드(라이트웨이트 프로세스)마다 생성된다. 이는 어떤 의미에서는 프로세스 관리의 두 가지 주요 기능(프로세스별 자원 할당 관리와 프로세스 또는 라이트웨이트 프로세스의 상태 관리)에 대응한다.^[1]

참조

_[1] 웹사이트 Process Control Block | Baeldung on Computer Science https://www.baeldung[...] 2020-06-25
_[2] 웹사이트 Class 9: The Unix Filesystem https://www.usna.edu[...] 2023-12-09
_[3] 웹사이트 CS 537 Notes: Directories https://pages.cs.wis[...] 2023-12-09
_[4] 서적 Operating system concepts https://archive.org/[...] Wiley
_[5] 간행물 Breaking through the Maximum Process Number http://www.linuxjour[...] Linux Journal 2004-01-01
_[6] 서적 An introduction to operating systems http://portal.acm.or[...] Addison-Wesley
_[7] 간행물 Breaking through the Maximum Process Number http://www.linuxjour[...] Linux Journal 2004-01-01