프로세스

3. 프로세스의 상태

• 생성(create): 프로세스가 생성되는 중이다.
• 실행(running): 프로세스가 CPU를 차지하여 명령어들이 실행되고 있다.
• 준비(ready): 프로세스가 CPU를 사용하고 있지는 않지만 언제든지 사용할 수 있는 상태로, CPU가 할당되기를 기다린다. 일반적으로 준비 상태의 프로세스 중 우선순위가 높은 프로세스가 CPU를 할당받는다.
• 대기(waiting): 보류(block)라고도 부르며, 프로세스가 입출력 완료, 시그널 수신 등 어떤 사건을 기다리고 있는 상태이다.
• 종료(terminated): 프로세스의 실행이 종료되었다.

3. 1. 프로세스의 상태 전이

• 디스패치(dispatch): 준비 리스트의 맨 앞에 있던 프로세스가 CPU를 점유하여 실행 상태로 바뀌는 것이다.
• `dispatch (프로세스 이름) : ready → running`
• 보류(block): 실행 상태의 프로세스가 입출력 동작 등의 이유로 CPU를 스스로 반납하고 보류 상태로 가는 것이다.
• `block (프로세스 이름) : running → blocked`
• 깨움(wakeup): 입출력 작업 종료 등 기다리던 사건이 발생하여 보류 상태에서 준비 상태로 바뀌는 과정이다.
• `wakeup (프로세스 이름) : blocked → ready`
• 시간제한(timeout): 프로세스가 프로세서를 독점하지 못하도록 일정 시간 동안만 프로세서를 점유하게 하는 것이다.
• `timeout(프로세스 이름) : running -> ready`

4. 프로세스의 표현

• 프로그램과 연관된 실행 가능한 기계어의 ''이미지''.
• 메모리(일반적으로 가상 메모리의 특정 영역)에는 실행 코드, 프로세스별 데이터(입력 및 출력), 활성 서브루틴 및/또는 기타 이벤트를 추적하기 위한 호출 스택, 그리고 런타임 중에 생성된 중간 계산 데이터를 보유하기 위한 힙이 포함된다.
• 프로세스에 할당된 자원에 대한 운영 체제 설명자. 예를 들어 파일 설명자(유닉스) 또는 핸들(윈도우) 및 데이터 소스와 싱크가 있다.
• 보안 속성, 예를 들어 프로세스 소유자 및 프로세스의 권한 집합(허용되는 작업)이 있다.
• 프로세서 상태(컨텍스트), 예를 들어 레지스터의 내용과 물리적 메모리 주소 지정이 있다. 프로세스가 실행 중일 때는 ''상태''가 일반적으로 컴퓨터 레지스터에 저장되고, 그렇지 않으면 메모리에 저장된다.^[1]

5. 멀티태스킹과 프로세스 관리

멀티태스킹 운영 체제는 여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이게 하는 기술을 사용한다. 이는 프로세스 간 전환을 통해 가능한데, 실제 단일 CPU에서는 한 번에 하나의 프로세스만 실행될 수 있다. 하지만 CPU에 여러 코어가 있는 경우에는 멀티스레딩과 같은 기술을 통해 여러 프로세스를 동시에 실행할 수 있다.^[7]

일반적으로 주 프로그램은 하나의 프로세스와 연결되며, 자식 프로세스는 비동기적으로 작동하는 서브루틴처럼 병렬 프로세스로 분리된다. 각 프로세스는 자원을 '소유'하며, 메모리 내 프로그램의 '이미지'도 이러한 자원 중 하나이다. 멀티프로세싱 시스템에서는 여러 프로세스가 동일한 재진입 가능 프로그램의 메모리 복사본을 공유할 수 있지만, 각 프로세스는 자체 '이미지'를 소유하는 것으로 간주된다.

임베디드 시스템 운영 체제에서는 프로세스를 '태스크'라고 부르기도 한다. "프로세스"(또는 태스크)는 "시간을 차지하는 것"을 의미하며, "메모리"는 "공간을 차지하는 것"과 대비된다.^[8]

프로세스가 대기해야 하는 상황이 발생하면 차단(block)된다. 가상 메모리 시스템에서는 프로세스가 차단 상태에 있을 때 디스크로 스왑될 수 있지만, 이는 사용자에게 투명하게 처리된다. 활성 프로세스의 일부도 최근에 사용되지 않은 경우 디스크로 스왑될 수 있다.

멀티태스킹은 타임셰어링이라는 전형적인 형태로 나타난다. 타임셰어링은 빠른 응답 시간을 제공하여 여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이게 한다.

보안 및 안정성을 위해 현대 운영 체제는 프로세스 간 직접 통신을 제한하고, 엄격하게 제어되는 프로세스 간 통신 기능을 제공한다.

프로그램 버그나 하드웨어 문제로 인해 제어 불능 상태가 된 폭주 프로세스가 발생할 수 있다. kill 명령어^[6] 등을 사용하여 강제로 정지시킬 수 있으며, 폭주 프로세스는 CPU 사용률을 100%까지 높여 컴퓨터에 장애를 일으킬 수 있다.

5. 1. 프로세스 상태 (상세)

• 생성(create): 프로세스가 생성되는 중이다.
• 실행(running): 프로세스가 CPU를 차지하여 명령어들이 실행되고 있다.
• 준비(ready): 프로세스가 CPU를 사용하고 있지는 않지만 언제든지 사용할 수 있는 상태로, CPU가 할당되기를 기다리고 있다. 일반적으로 준비 상태의 프로세스 중 우선순위가 높은 프로세스가 CPU를 할당받는다.
• 대기(waiting): 보류(block)라고 부르기도 한다. 프로세스가 입출력 완료, 시그널 수신 등 어떤 사건을 기다리고 있는 상태를 말한다.
• 종료(terminated): 프로세스의 실행이 종료되었다.

• 디스패치(dispatch): 준비 리스트의 맨 앞에 있던 프로세스가 CPU를 점유하게 되는 것, 즉 준비 상태에서 실행 상태로 바뀌는 것을 디스패치라고 하며 다음과 같이 표시한다.

• 보류(block): 실행 상태의 프로세스가 허가된 시간을 다 쓰기 전에 입출력 동작을 필요로 하는 경우 프로세스는 CPU를 스스로 반납하고 보류 상태로 넘어 간다. 이것을 보류라고 하며 다음과 같이 표시한다.

• 깨움(wakeup): 입출력 작업 종료 등 기다리던 사건이 일어났을 때 보류 상태에서 준비 상태로 넘어가는 과정을 깨움이라고 하며 다음과 같이 표시한다.

• 시간제한(timeout): 운영체제는 프로세스가 프로세서를 계속 독점해서 사용하지 못하게 하기 위해 clock interrupt를 두어서 프로세스가 일정 시간 동안만 (시분할 시스템의 time slice) 프로세서를 점유할 수 있게 한다.

• 먼저, 프로세스는 보조 기억 장치(하드 디스크 드라이브, CD-ROM 등)에서 주기억장치로 로드되어 "생성"된다. 그런 다음 프로세스 스케줄러가 "대기" 상태를 할당한다.
• 프로세스가 "대기" 중인 동안, 프로세스는 컨텍스트 스위칭을 수행하는 스케줄러를 기다린다. 컨텍스트 스위칭은 프로세스를 프로세서에 로드하고 이전에 "실행 중"이던 프로세스가 "대기" 상태로 저장되는 동안 상태를 "실행 중"으로 변경한다.
• "실행 중" 상태의 프로세스가 자원을 기다려야 하는 경우(예: 사용자 입력 또는 파일 열기를 기다리는 경우), "차단됨" 상태가 할당된다. 프로세스가 더 이상 기다릴 필요가 없을 때(차단된 상태에서), 프로세스 상태는 "대기" 상태로 다시 변경된다.
• 프로세스가 실행을 완료하거나 운영 체제에 의해 종료되면 더 이상 필요하지 않다. 프로세스는 즉시 제거되거나 "종료됨" 상태로 이동한다. 제거될 때는 주기억장치에서 제거될 때까지 대기한다.^[1][3]

• 스왑아웃(또는 일시 정지)된 준비 상태: 가상 메모리를 지원하는 시스템에서는 프로세스가 스왑아웃될 수 있으며, 중기 스케줄러가 주기억장치에서 가상 메모리로 이동시킨다. 그 후, 중기 스케줄러에 의해 스왑인되어 일반적인 준비 상태가 된다.
• 스왑아웃(또는 일시 정지)된 블록 상태: 블록된 프로세스도 스왑아웃될 수 있다. 이 상태에서는 프로세스가 스왑아웃된 상태에서 블록되어 있으므로, 먼저 스왑인되면 일반적인 블록 상태가 되고, 먼저 자원이 사용 가능해지면 스왑아웃된 준비 상태가 된다.

6. 프로세스 간 통신 (IPC)

Inter-process communication^영어

프로세스 간 통신(IPC)은 프로세스들이 서로 통신하기 위해 주소 공간의 일부를 공유하거나 다른 형태의 통신 방식을 사용하는 것을 말한다. 예를 들어, 셸 파이프라인에서는 첫 번째 프로세스의 출력이 두 번째 프로세스로 전달되어야 하며, 이 과정이 반복된다. 또 다른 예로, 동시에 실행될 수 있는 여러 협력적이지만 부분적으로 독립적인 프로세스로 분해된 작업이 있다. 이때, 각 프로세스는 동시성 또는 진정한 병렬 처리를 통해 실행될 수 있다. (병렬 처리는 여러 CPU 코어가 실행 준비가 된 프로세스에 사용 가능할 때 실현 가능하다.)^[6]

두 개 이상의 프로세스가 서로 다른 운영 체제(OS)를 실행할 수 있는 서로 다른 컴퓨터에서 실행되는 것도 가능하다. 이러한 경우, 통신 및 동기화를 위한 메커니즘, 즉 분산 컴퓨팅을 위한 통신 프로토콜(예: 메시지 전달 인터페이스(MPI))이 필요하다.^[6]

현대의 OS는 보안과 안정성을 위해 개별 프로세스 간의 직접적인 통신을 제한하고, 엄격하게 통제·제어된 프로세스 간 통신 기능을 제공한다.^[6]

7. 프로세스의 분류

프로세스는 그 역할에 따라 운영 체제(OS)의 기능을 구현하는 '''시스템 프로세스'''와 사용자 권한으로 실행되는 '''사용자 프로세스'''로 분류할 수 있다.

프로세스는 그 프로그램 부분의 성질에 따라 다음과 같이 분류된다.

• 재배치 가능(리로케이터블(Relocatable)): 프로세스를 보조 기억 장치에서 주기억 장치로 읽어들일 때, 주기억 장치의 어느 위치에 읽어들여도 실행이 가능한 프로그램. 주소 지정이 프로세스의 시작 주소로부터의 상대 위치로 표현되어 있으면 된다. 리로케이터블 코드 중에서 특히 위치 독립 코드라고 불리는 것은, 링커나 로더의 기능에 의존하지 않고도 자유로운 위치에서 실행이 가능한 코드이며, 단순히 리로케이터블인 것과는 구분된다.
• 재사용 가능(리유저블): 주기억 장치에 읽혀 실행을 마친 프로그램이, 다시 주기억 장치로 읽어들이는 과정 없이 재실행될 수 있는 것을 말한다. 여기에는, 실행을 마친 프로그램이 프로그램 자신을 덮어쓰지 않고, 실행 후 프로그램 내부 변수에 영향이 남아 있지 않아야 하는 등의 조건이 필요하다.
• 재귀 가능(리커시브(Recursive)): 자신을 호출할 수 있는 것.
• 재입 가능(리엔트런트(Reentrant)): 프로그램의 실행 중에 다른 프로세스가 같은 프로그램을 동시에 실행할 수 있는 것. 프로그램(코드) 부분과 데이터 부분이 다른 기억 영역으로 분리되어 있어 코드 부분만 공유할 수 있으면 된다. 동시 실행을 원하는 프로세스는 데이터 부분만 독자적으로 새로 준비한다. 리엔트런트 코드는 당연히 리커시브이자 리유저블이다.

8. 윈도의 프로세스

윈도우 운영 체제에서 프로세스를 제어하는 방법은 크게 두 가지이다. 작업 관리자를 이용하는 GUI 환경과 명령 프롬프트를 이용하는 방법이다. 작업 관리자에서는 프로세스 종료 및 우선 순위 설정을 할 수 있고, 명령 프롬프트에서는 `TASKLIST`, `TASKKILL` 명령어를 사용한다.^[1]

8. 1. GUI 환경에서의 제어

8. 1. 1. 프로세스 끝내기

8. 1. 2. 우선 순위 설정

8. 2. 명령 프롬프트

• '''TASKLIST''': 프로세스 목록을 표시한다.
• '''TASKKILL''': 프로세스를 종료하거나 강제 종료한다.

9. 역사

1960년대 초, 컴퓨터 제어 소프트웨어는 IBSYS와 같은 모니터 제어 소프트웨어에서 실행 제어 소프트웨어로 발전했다. 컴퓨터는 더 빨라졌지만, 컴퓨터 시간은 여전히 비쌌고 충분히 활용되지 못했다. 이러한 환경은 멀티프로그래밍을 가능하게 했고 필요하게 만들었다. 멀티프로그래밍은 여러 프로그램이 동시에 실행됨을 의미한다. 처음에는 단일 프로세서 컴퓨터 아키텍처의 결과로 여러 프로그램이 단일 프로세서에서 실행되었고, 이들은 부족하고 제한된 하드웨어 리소스를 공유했다. 결과적으로 동시성은 '직렬'(serial)적인 성격을 띠었다. 나중에 여러 프로세서를 갖춘 시스템에서는 여러 프로그램이 '병렬'로 동시에 실행될 수 있다.

프로그램은 프로세서에 대한 일련의 명령어로 구성된다. 단일 프로세서는 한 번에 하나의 명령어만 실행할 수 있다. 즉, 여러 프로그램을 동시에 실행하는 것은 불가능하다. 프로그램은 입력 장치와 같이 지연 시간이 큰 자원이 필요하거나 프린터로 출력을 보내는 것과 같은 느린 작업을 시작할 수 있다. 이로 인해 프로세서가 "유휴"(사용되지 않음) 상태가 될 수 있다. 프로세서를 항상 바쁘게 유지하기 위해 이러한 프로그램의 실행이 중지되고 운영 체제는 다른 프로그램을 실행하도록 프로세서를 전환한다. 사용자에게는 프로그램이 동시에 실행되는 것처럼 보인다(따라서 "병렬"이라는 용어가 사용됨).

그 후 곧 "프로그램"의 개념은 "실행 중인 프로그램과 그 컨텍스트"의 개념으로 확장되었다. 재진입 코드의 발명과 함께 프로세스의 개념이 탄생했다. 스레드는 다소 늦게 등장했다. 그러나 시분할, 컴퓨터 네트워크, 여러 CPU 공유 메모리 컴퓨터와 같은 개념이 등장하면서 기존의 "멀티프로그래밍"은 진정한 멀티태스킹, 멀티프로세싱, 그리고 나중에는 멀티스레딩으로 대체되었다.

10. 유닉스/리눅스에서의 프로세스 관리

프로세스는 실행 중 상태에서 프로그램 실행 완료나 명시적인 종료 명령에 따라 종료 상태가 된다. 프로세스가 종료 상태가 되어도 메모리에서 즉시 삭제되지 않고 좀비 상태로 남아있을 수 있다.

대기(sleeping) 상태는 프로세스가 파일, 세마포어, 주변 장치 등의 자원을 확보할 수 없어 CPU에서 제외되어 차단(blocked)되는 상태를 말한다. 이 상태는 데드락을 유발할 수 있다. 운영 체제는 인터럽트를 통해 자원 사용 가능 여부를 파악하고, 차단되지 않은 프로세스를 다시 실행 가능 상태로 만든 후 실행 중 상태로 디스패치하여 프로세스가 사용 가능해진 자원을 사용하게 한다.

10. 1. 좀비 프로세스

참조

_[1] 서적 Operating system concepts with Java John Wiley & Sons 2004
_[2] 서적 UNIX Internals: The New Frontiers https://archive.org/[...] Prentice-Hall Inc. 1996
_[3] 서적 Operating Systems: internals and design principles Prentice Hall 2005
_[4] 서적 Operating system concepts with Java John Wiley & Sons, Inc. 2004
_[5] 서적 UNIX Internals - The New Frontiers Prentice-Hall Inc. 1996
_[6] 웹사이트 프로세스操作 https://www.stex.phy[...] 2024-12-05
_[7] 문서 최근의 멀티코어 프로세서에서의 프로세스 실행
_[8] 문서 'Task'와 'Process'의 의미 차이
_[9] 서적 Operating Systems: internals and design principles (5th edition) Prentice Hall 2005
_[10] 서적 プロフェッショナルUNIX 株式会社アスキー 1986-01-15