post: 운영체제::프로세스

_posts/Computer-Science/OS/2024-04-06-process.md

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+title: "[운영체제] 프로세스"
+date: 2024-04-06 19:10:00 +0900
+categories: [Computer-Science, OS]
+tags: ['OS', '프로세스']
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+{% assign img_path = "/assets/img/posts/OS/2024-04-06-process" %}
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+## 1. 실행파일과 프로세스
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+### 1.1. 실행파일
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+실행파일이란 **OS가 프로세스를 초기 구동하는 데 사용되는 파일**로, Program 이라고 한다.
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+- 저장장치에 저장되어 있는 **정적인 상태**
+  - **Windows**: `.exe`
+  - **Linux, macOS**: 확장자는 따로 없지만 `ELF`(Executable & Linkable Format) 형식의 파일이다.
+- OS는 executable한 파일을 읽어들여 프로그램을 실행한다.
+  - 파일 헤더 '매직 넘버': MZ(ascii), ELF(ascii), 
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+### 1.2. 프로세스
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+실행파일(프로그램)이 실행되면 이를 **프로세스(Process)**라고 한다.
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+- 실행파일이 메모리에 로딩되어 실행되는 상태
+- 프로그램들은 메모리에 올라가야만 실행될 수 있음(프로그램 → 프로세스)
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+### 1.3. 프로세스 개념
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+프로세스 개념 및 정의는 교재마다 상이하다. 프로세스의 다양한 표현은 아래와 같다.
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+- 주기억 장치에  상주된 프로그램이 CPU에 의해 처리되는 상태
+- CPU에 의해 현재 실행되고 있는 프로그램
+- 실행을 위해 메모리에 올라온 동적인 상태
+- **PCB(Process Control Block, 프로세스 제어 블록)의 존재로서 명시되는 것**
+- 프로세스가 할당되는 개체로서, Dispatch가 가능한 단위
+  - 비동기적 행위를 일으키는 주체
+  - CPU가 할당되는 실체
+  - OS가 관리하는 최소 단위 작업
+  - task란 용어와 함께 사용되며, 다양한 정의 가짐
+  - 프로그램과 달리 메모리에 주소 공간 갖는 능동적인 객체
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+## 2. 프로그램의 실행
+
+### 2.1. 다중 프로그래밍
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+여러 프로그램을 동시에 실행하는 것으로, 여러 프로세스들이 **메모리에 동시에 있을 수 있기 때문**에 가능하다.
+
+- 프로세스들은 상호 독립적인 메모리 공간에서 실행된다.
+
+![다중 프로그래밍]({{ img_path }}/2.1. 다중 프로그래밍.png){: width='500'}
+
+### 2.2. 다중 인스턴스(Multi-instance)
+
+같은 프로그램을 여러 개 실행할 수 있다. **실행될 때마다 독립된 프로세스가 생성**된다.
+
+- 각 프로세스는 독립된 메모리 공간을 가진다.
+- 모두 별개의 프로세스로 취급된다.
+
+![다중 인스턴스]({{ img_path }}/2.2. 다중 인스턴스.png){: width='500'}
+
+### 2.3. Loading
+
+- **Loading(로딩)**: 실행파일이 메모리에 올라가는 과정
+- **Loader(로더)**: 메모리에 Load(적재)해 주는 것
+
+![Loading]({{ img_path }}/2.3. Loading.png){: width='500'}
+
+- **절대 로더(Absolute loader)**
+  - 항상 고정된 위치에만 로딩됨
+  - 재배치/링킹 없음
+  - 다중 프로그래밍 X
+
+- **재배치 로더(Relocation loader)**
+  - 주기억 장치 상태에 따라 목적 프로그램을 주기억 장치 임의공간에 적재
+  - 프로그램이 여러 개 실행되다 보면, **메모리 위치상에 충돌이 있을 수도 있음**
+- **동적 적재(Dynamic loading)**
+  - 필요 부분만 주기억장치에 적재, 나머지 보조기억장치에 저장
+
+
+
+## 3. 프로세스 생명 주기
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+프로세스는 생성부터 종료까지 여러 상태로 바뀌면서 실행된다. → **State Change**
+
+![프로세스 생명 주기]({{ img_path }}/3. 프로세스 생명 주기.png)
+
+![프로세스 생명 주기 2]({{ img_path }}/3. 프로세스 생명 주기 2.png){: width='500'}
+_간단한 버전_
+
+### 3.1. 프로세스 상태 정리
+
+| 상태      | 설명 | 작업 |
+| --------- | ---- | ---- |
+| 생성 상태 | 프로그램을 메모리에 가져와 **실행 준비가 완료**된 상태 | 메모리 할당, PCB 생성 |
+| 준비 상태 | 실행 기다리는 모든 프로세스가 **자기 차례 기다리는** 상태<br>실행될 프로세스를 CPU 스케줄러가 선택| **dispatch(PID)**: 준비 → 실행 |
+| 실행 상태 | 선택된 프로세스가 time slice 얻어 **CPU 사용**하는 상태<br>프로세스 사이의 **문맥 교환** 발생 | **timeout(PID)**: 실행 → 준비<br>**exit(PID)**: 실행 → 완료<br>**block(PID)**: 실행 → 대기 |
+| 대기 상태 | 실행 상태 프로세스가 I/O 요청시 **I/O 완료될 때까지 기다리는** 상태<br>I/O 완료시 준비 상태로 감 | **wakeup(PID)**: 대기 → 준비 |
+| 완료 상태 | **프로세스 종료**된 상태<br>사용 중이던 모든 데이터 정리됨<br>exit(정상 종료), abort(비정상 종료) 모두 포함 | 메모리 삭제, 프로세스 제어 블록 삭제 |
+
+### 3.2. 보류 상태
+
+- 프로세스가 어떤 이유로 인해 **실행 미뤄지고**, 메모리에서 쫓겨난 상태
+
+> 메모리에서 쫓겨났다는 것은, **프로그램이 저장장치에 놓여졌다**는 것이다.
+{: .prompt-info}
+
+- 보류 상태로 진입하는 이유
+  - 메모리 용량 초과
+  - 프로그램 오류
+  - Malware라서 격리
+  - 매우 긴 주기로 실행됨
+  - IO에 지연 있을 경우
+- 예시: 업데이트 소프트웨어
+
+![보류 상태]({{ img_path }}/3.2. 보류 상태.png){: width='500'}
+
+
+
+## 4. PCB: Process Control Block
+
+### 4.1. 프로세스 관리
+
+프로세스는 생성부터 종료까지 **모두 커널(OS)에 의해 관리**됨
+- 프로세스 생명 주기: 생성, 실행, 중단, 일지 중단, 재개
+- 프로세스 정보(Metadata) 관리
+- 프로세스 통신, 동기화
+- 문맥 교환(Context switching)
+
+OS는 프로세스를 제어하기 위해 상태 정보 일정한 자료 구조로 저장하는데, 이를 **PCB(Process Control Block)**라 한다.
+- 프로세스마다 고유의 PCB가 생성된다.
+
+![프로세스 관리]({{ img_path }}/4.1. 프로세스 관리.png){: width='400'}
+
+### 4.2. PCB 구조
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+- OS는 PCB를 **PCB table(Process table)**이라는 곳을 통해 관리함
+- OS마다 구조가 전부 다르다.
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+![PCB 구조]({{ img_path }}/4.2. PCB 구조.png){: width='650'}
+
+- PCB에 저장된 이러한 정보들을 **프로세스의 Context**라고도 부른다.
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+## 5. 시분할 (Time-slicing)
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+- 여러개의 프로세스를 동시에 처리하는 방법
+- 프로세스들에게 **번갈아가며 CPU를 사용하게 하는 방법**
+  - 진짜로 동시에 실행되는 건 X
+- **'번갈아가는 것'**에서 파생되는 문제들
+  - 어떻게 번갈아가는 것인가? → **Context Switching**
+  - 어떤 순서로 번갈아가는 것인가? → **스케쥴링 문제**
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+## 6. 문맥 교환(Context Switching)
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+- 한 프로세스에서 다른 프로세스로 CPU를 넘겨주는 과정
+- 실행 상태에서 **나가는 프로세스**의 PCB에는 **지금까지의 작업 내용 저장**
+- 실행 상태로 **들어오는 프로세스**의 PCB의 내용으로 **CPU가 세팅**됨
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+![문맥 교환]({{ img_path }}/6. 문맥 교환.png){: width='500'}
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+## 7. 고민해볼 문제들
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+프로그램은 로더를 통해 메모리에 적재되어야 하며, 적재된 것을 프로세스라 부른다. 이 과정에서여러 가지 고민해볼 문제들이 파생된다.
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+- 로더는 누가 실행하는 것일까?
+- 메모리 어디에 로딩하며, 어떻게 로딩하는 것인가?
+  - **Allocation 문제**
+- 프로그램의 크기가 메우 크면?
+  - **가상 메모리, Paging**
+- Context Switching이 Suspend에 걸쳐 이루어지면?
+  - **Swapping, 단편화 문제**
+- 어떤 프로세스가 다른 프로세스 메모리 영역을 침범한다면?
+  - **보안 문제**
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+이 문제들은 OS를 더 공부하면서 하나씩 알아 볼 것이다.