[시스템 프로그래밍] 프로세스 [1] - 프로세스

 

 

 

 

 

🧐 프로세스

프로세스는 운영체제가 만들어 주는 실행 프로그램의 인스턴스입니다.

프로그램은 오늘날 시스템에서 실행될 때, 마치 단 한 개의 프로그램만이 시스템에서 돌아가고 있는 것 같은 착각이 들게 합니다.

 

이러한 착각은 프로세스라는 개념에 의해 이루어집니다.

 

 

시스템 내의 각 프로그램은 어떤 프로세스의 문맥(context)에서 돌아갑니다.

문맥은 프로그램이 정확하게 돌아가기 위해서 필요한 상태로 구성되며,

문맥 속에는 메모리에 저장된 프로그램의 코드와 데이터, 스택, 범용 레지스터의 내용, 프로그램 카운터, 환경변수, 열려 있는 파일의 식별자가 포함됩니다.

 

사용자가 실행 목적파일의 이름을 쉘에 입력하여 프로그램을 돌릴 때마다 쉘은 새로운 프로세스를 생성하고,

실행 목적파일을 새로운 프로세스의 문맥에서 실행합니다.

 

응용 프로그램 또한 새로운 프로세스를 만들 수 있으며, 새 프로세스의 문맥 내에서 자신의 코드나 다른 응용 코드를 실행시킬 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ 프로세스에서 제공하는 추상화

프로세스는 프로그램에 두 개의 중요한 추상화를 제공합니다.

논리적 제어흐름:
우리의 프로그램이 프로세서를 혼자서 사용한다는 착각이 들게 하는 독립적인 논리적 제어 흐름

사적인 주소공간:
우리의 프로그램이 혼자서 메모리를 사용한다는 착각을 제공하는 사적 주소공간

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 논리적인 제어흐름

프로세스는 시스템에 서로 다른 여러 프로그램들이 동시적으로 동작하고 있지만, 프로세서를 혼자서 사용한다는 착각을 느끼게 합니다.

위의 그림에서 보이는 것과 같이 세 개의 프로세스를 실행하는 프로세서에 대해서 생각해 보도록 하겠습니다.

 

이 프로세서의 하나의 물리적 제어흐름은 각 프로세스에 대해서 한 개씩 세 개의 논리흐름으로 나누어집니다.

 

위 그림을 통해 알 수 있듯이 하나의 프로세서를 사용해서 여러 프로세스들이 교대로 돌아갑니다.

 

각 프로세스는 자신의 흐름의 일부분을 실행하고 나서, 다른 프로세스들로 순서를 바꾸어 실행하는 동안 일시적으로 정지됩니다.

 

이 프로세스들 중에서 하나의 문맥에서 실행되는 프로그램은 이것이 마치 프로세서를 베타적으로 소유한 것처럼 보입니다.

 

이러한 과정에서 문맥 전환(context switch)이 발생합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 동시성 프로세스

자신의 실행시간이 다른 흐름과 겹치는 논리흐름을 동시성 흐름이라고 부릅니다.

논리 흐름은 컴퓨터 시스템 내에서 여러 가지 다른 형태를 갖습니다.

예외 핸들러, 프로세스, 시그널 핸들러, 쓰레드, 자바 프로세스는 모두 논리흐름의 예입니다.

 

 

두 프로세스는 그들의 실행 시간이 서로 중첩되면 동시(concurrent)에 실행된다고 부릅니다.

그렇지 않다면 순차적으로 실행된다고 정의합니다.

 

 

 

즉 다음 예시에서,

A와 B, A와 C는 동시에 실행되지만,

B와 C는 순차적으로 실행됩니다.

 

따라서 A와 B는 동시에 실행된다고 볼 수 있으며, B와 C는 순차적으로 실행된다고 볼 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

⭐️ 동시성(concurrency)과 병렬성(Parallelism)

공동으로 실행되는 흐름의 일반적인 현상을 동시성이라 합니다.

프로세스가 다른 프로세스들과 교대로 실행된다는 개념은 멀티태스킹이라 부릅니다.

한 프로세스가 자신의 흐름 일부를 실행하는 매 시간 주기를 타임 슬라이스라고 부릅니다.

멀티태스킹은 타임 슬라이싱이라고도 부릅니다.

 

 

동시적 흐름에 대한 개념은 흐름들이 돌아가는 프로세서 코어나 컴퓨터의 개수와는 무관합니다.

만일 두 흐름이 시간상으로 중첩된다면, 비록 이들이 동일한 프로세서에서 돌아가고 있더라도 이들은 동시적입니다.

 

 

그러나 병렬(parallel) 흐름이라고 알려진 동시성 흐름의 부분집합을 구별하는 것이 유용한 경우가 있습니다.

만일 두 개의 흐름이 서로 다른 프로세서 코어나 컴퓨터에서 동시에 돌아가고 있다면 이것은 병렬 흐름입니다.

즉 병렬로 돌아간다고 말합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 문맥 전환 (Context Switch)

한 개의 프로세스에서 다른 프로세스로 제어흐름이 넘어가는 것을 문맥전환(Context Switch)라고 부릅니다.

프로세스는 커널이라고 부르는 운영체제에 의해서 관리됩니다.

(커널은 프로세스가 아니며, 사용자 프로세스의 일부분으로 실행됩니다.)

 

운영체제 커널은 예외적인 제어흐름의 상위수준 형태인 문맥 전환을 사용하여 멀티태스킹을 구현합니다.

 

커널이 선점된 프로세스를 다시 시작하기 위해서 필요로 하는 상태가 바로 컨텍스트이며, 커널은 각 프로세스마다 컨텍스트를 유지합니다.

 

커널은 프로세스가 실행되는 동안의 어떤 시점에 현재 프로세스를 선점(일시적으로 정지)하고, 이전에 선점된 프로세스를 다시 시작할 것을 결정할 수 있습니다.

 

이러한 결정을 스케줄링이라 부르며, 스케줄링은 스케줄러라고 불리는 커널 내부의 코드에 의해 처리됩니다.

 

 

 

 

문맥 전환은 커널이 사용자를 대신해서 시스템 콜을 실행하고 있을 때 일어날 수 있습니다.

만일 시스템 콜이 어떤 이벤트의 발생을 기다리기 때문에 블록된다면 커널은 현재 프로세스를 sleep시키고 다른 프로세스로 전환합니다.

 

예를 들어, read 시스템 콜이 디스크 접근을 요구하면 커널은 문맥 전환을 할 수 있으며, 디스크로부터의 데이터를 기다리는 대신 다른 프로세스를 돌릴 수 있습니다.

 

또 다른 예시는 sleep 시스템 콜로 호출하는 프로세스를 sleep 상태로 만들기 위하여 문맥 전환을 요청하게 됩니다.

 

일반적으로 어떤 시스템 콜이 블록되지 않았다 하더라도, 커널은 시스템 콜을 호출했던 프로세스로 제어를 돌려주는 대신에 문맥 전환을 수행하는 것을 결정할 수 있습니다.

 

또한 문맥 전환은 인터럽트의 결과로 발생할 수 있습니다.

예를 들어 모든 시스템은 대게 1ms 또는 10ms마다 주기적인 타이머 인터럽트를 생성하는 어떤 매커니즘을 가지고 있습니다.

 

타이머 인터럽트가 일어날 때마다 커널은 현재 프로세스가 충분히 오래 실행되었다고 판단하여 새로운 프로세스로 전환할 것을 결정할 수 있습니다.