[250306] 프로세스 개념 정리 / 프로세스란? / PCB 개념 / 프로세스 스케줄링 종류

개요 

운영체제에서 프로세스의 개념은 매우 중요하다고 한다. 

프로세스 개념 정리에 앞서, 책에 나와있는 개요를 보면 스케줄링 개념을 먼저 언급한다. 

 

"중앙처리장치(cpu) 스케줄링이란 사용자로부터 의뢰받은 작업을 처리하기 위해 프로세스들에게 중앙처리장치 또는 프로세서들을 할당하기 위한 정책을 설정하는 것이다." - 운영체제(생능출판사) 48p 중 

 

프로세스? 프로세서?

천천히 알아보도록하자

 

"모든 컴퓨터 자원은 사용되기 전에 신중한 정책이 전제되어야 하므로 스케줄링은 운영체제의 중요한 기능이며 ...  (중략)

프로세스 스케줄링은 준비완료(ready) 상태에 있는 프로세스들 중 어느 것을 CPU 에 할당시킬 것인가를 결정하는 문제를 취급하는 것으로서, CPU의 효율 및 처리율(throughput) 최대화, 반환시간(turnaround time)최소화에 그 목적을 두고 있다." - 운영체제(생능출판사) 48p 중 

 

즉, 프로세스는 이 cpu 의 핵심 기능인 "스케줄링"의 대상이 되는 요소인 것이다. 

(공부 스케줄 짜는데 '공부'가 뭔지를 알아야 겅부 스케줄을 짜지 않겄습니까! ) 

 

 

 

프로세스에 대하여  

프로세스 기본적인 개념

- 하나의 프로세스는 CPU 가 수행하는 '작업의 단위' 를 의미한다. 

- 프로그램. 

- 사용자가 프로그램을 실행 시켜서 주기억장치에 저장된 프로그램. 

ex) 다양하게 정의되고 있는 프로세스. 

1) 실행 (executing, running)중인 프로그램

2) PCB(process control block) 를 지닌 프로그램

3) 프로그램 카운터(program counter)를 지닌 프로그램

4) 능동적 개체(entity)로, 순차적으로 수행하는 프로그램 

 

💡 Q. 그렇다면 '프로그램' 자체가 프로세스인가? 어플리케이션을 의미하는 것인가? 

A. 카카오톡을 실행 중이면 하나의 프로세스인건가? Q. 넹. 하나의 프로세스이고, 이상태에서 카톡을 백그라운드로 보내고 지니 뮤직을 실행하면 두개의 프로세스가 존재하는 것이 됨. 

 

운영체제는 멀티태스킹(Multitasking)을 지원하므로 여러 개의 프로세스를 동시에 실행할 수 있음 !! 

따라서 운영체제의 스케줄링에 따라 CPU를 번갈아 사용하거나 멀티코어 환경에서 동시에 실행될 수 있음.

 

 

운영체제가 프로세스 관리를 위해 하는 일 

1. 사용자 프로세스와 시스템 프로세스의 생성과 삭제

2. 프로세스의 일시 중지와 재수행

3. 프로세스 스케줄링

4. 프로세스의 동기화

5. 프로세스 간 통신

6. 교착 상태 처리

 

 

프로세스 구성요소 

주기억 장치 (CPU) 에 저장되어 있는 하나의 프로세스(실행 중이거나 혹은 실행 가능한 소프트웨어)는 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역, 힙 영역으로 구성돼 있음. 

 

- 코드 영역: 프로그램 코드 자체를 말하지만 .java 등의 자바 소스 파일을 의미하는 것이 아니다 
-> .java 파일이 컴파일되어 cpu 가 해석할 수 있는, 실행 가능한 바이트 코드(.class 파일, 기계)로 변환되고 이것들이 코드 영역에 저장된다. 

- 데이터 영역: 프로그램의 전역 변수(global variable), 정적 변수(static variable)

- 스택 영역: 지역 변수(local variable), 인수argument 

 

 

프로세스 상태

프로세스는 곧 실행가능한 PCB(Process Control Block) 를 가진 프로그램이다. 

실행, 입출력 대기 등과 같은 상태가 빠르게 반복된다. 즉, 하나의 작업은 한번에 끝나지 않는다. 

 

1. 실행 상태(running): 프로세스가 중앙 처리 장치를 차지하고 있는 상태

2. 준비완료 상태(ready): 중앙 처리 장치가 사용가능하게 될때 그것을 할당받을 수 있는 상태 

3. 대기 상태(block): 프로세스 처리 중, 입출력 처리 등으로 밀려났을 때 다른 작업이 완료 될때까지 기다리고 있는 상태 ! 

**트레픽 제어기(traffic controller) 담당. 

 

💡 큐 개념 

cpu 는 하나의 프로세스가 실행되고 있지만 그 밖에 다른 프로세스들은 준비 완료 상태나 대기 상태로 있을 수 있다. 

이를 위래 1) 준비 완료 리스트(큐) 2) 대기 리스트(큐) 를 만들어 1)에 있는 우선순위 높은 프로세스에게 CPU 를 가장 먼저 할당해준다. 

- 교재 51p 그림2-2 프로세스의 상태 전이 그림 참고. 

 

타임 슬라이스(time slice) or 할당 시간(time quantum) 개념

OS 는 한 프로세스가 CPU 를 독점하는 것을 방지하기 위해 지정된 시간 동안만 프로세스가 중앙 처리 장치를 점유하도록 한다. 

예시1) 프로세스가 만약 할당시간 지나도록 계속 CPU 를 써야 할 경우 우선 CPU 넘겨주고 준비완료 상태로 바뀜

예시2) 프로세스가 시간 초과 전 io 발생하면, 일단 CPU 를 양도하고, io 가 끝날때까지 대기 상태가 된다. ->이후 준비완료. 

 

프로세스 제어 블록 (PCB - Process Control Block) 

프로세스는 완료될때까지 여러 상태로 변하면서 스케줄러에 의해 CPU 할당 혹은 회수가 이루어짐. 

PCB 는 프로세스에 관한 모든 정보를 가지고 있는 데이터베이스이며 프로세스 생성 시에 만들어진다. 

또한 프로세스가 완료되면 프로세스 제어 블록이 제거된다. 

 

💡 트래픽 제어기가 프로세스의 상태변화가 일어날때마다 PCB 를 변경한다. 

PCB 들은 대부분 서로 링크되어 있다. 

 

PCB 의 구성상태

 - 프로세스 현재 상태(실행, 준비, 대기) 

- 프로세스의 우선순위

- 프로세스가 적재된 기억장치의 주소를 가지는 포인터 

- 할당된 자원(장치 등)을 가리키는 포인터 

- 중앙처리장치의 각종 레지스터 상태를 저장하기 위한 공간 

 

 

프로세스 생성 

fork() 명령어란? 

- 새로운 프로세스를 생성하는 시스템 호출 명령어. 

- 현재 실행 중인 프로세스를 복제해 새로운 프로세스를 생성한다. 

- 부모 프로세스(parent process), 자식 프로세스(child process) 로 나뉨. 

 

 

프로그램 카운터 (PC, Program Counter) 

- 다음 실행될 명령어의 주소값이 들어있는 레지스터. 

- 프로세스가 어디까지 실행되었는지 기억하고 다음 실행할 명령어가 어디있는지 가리키는 역할을함. 

- CPU 는 이 프로그램 카운터 PC 가 가리키는 주소에서 명령어를 읽고 실행한다. 

 

 

프로세스 스케줄링 

스케줄링의 목적과 기준 

결론적으로 프로세스가 빠르게 실행되도록 하면서, 공평하게 CPU 를 배분하는 것이 스케줄링 목적이다. 

- CPU 를 최대한 놀리지 않고 계속 사용하게 할 것. 

- 처리량(Throughput) 최대화할 것. 즉 주어진 시간 내에 최대한 많은 프로세스 처리 

- 대기 시간(Minimizing Waiting Time) 단축 

- 응답 시간(Response Time) 최소화 

- 반환 시간(Turnaround Time) 단축. 프로세스 시작 ~ 종료까지 걸리는 시간 단축. 

- 무한 대기 (Starvation) 방지. 우선순위가 낮은 프로세스가 계속 무한히 기다리는 것 방지. *에이징(Aging) 해줌. 

- 공평한 자원 분배 

- 선점 (Preemption) 관리. 긴급한 프로세스가 필요할 때 빠르게 CPU 를 양보할 수 있도록함. 

 

💡 에이징(Aging) : 우선순위 기반 스케줄링에서 오랫동안 실행되지 못한 프로세스의 우선순위를 점점 높여주는 기법. 

 

 

스케줄링 기준 

💡 운영체제는 프로세스의 성격과 우선순위를 고려해서 CPU를 효율적으로 분배하는 게 목표

📌 스케줄링 기준을 한 문장으로 요약하면
- 프로세스의 특성(CPU vs I/O, 실행 시간), 응답 속도 요구, 우선순위, 선점 여부 등을 종합적으로 고려해 적절한 스케줄링 방식을 선택해야 한다.

 

 

프로세스 스케줄링 - 단계별 분류 

 

1. 상위 단계 스케줄링(Long-Term Scheduling), 책에 따라 High Level Scheduling 으로 표기되기도함. 

- 작업(job) 스케줄로도 불리며, 어떤 작업에게 시스템의 자원을 차지하도록 할 것인지 결정하는 단계. 

- 즉, 새로운 프로세스를 실행할지 결정하는 단계이다. (메모리에 올릴지 말지) 

Q. 프로그램을 실행하기 위해 아이콘을 누르고 나서 일어나는 일들? 앱을 오픈하게 할지 말지 결정한다는건가? 

A. 

 

2. 중간 단계 스케줄링(Medium-Term Scheduling), Intermediate Level Scheduling

- 원활한 시스템 작동과 시스템 전체의 성능 향상을 위해 시스템 부하(load) 내에서 짧은 순간 프로세스들에 대한 일시적 활동 중단 및 재개를 수행한다. 작업 승인과, CPU 할당 사이에서 Buffer 역할을 함. 

즉, 메모리 부족하니까 잠깐 꺼둘까? 하는 단계 !!! 

 

3. 단기 스케줄링 (Short-Term Scheduling), Low Level Scheduling

- CPU 가 다음 프로세스를 맞이할 준비가 됐을 때 어떤 ready 프로세스에게 CPU 를 할당할 것인가 결정하는 단계. 

결정 뿐만 아니라 직접 할당하는 단계이다 ! 

- 이 단계는 디스패처에 의해 매초 여러번 작동한다. CPU 내에 *디스패처가 항상 적재돼있어야하는 이유. 

즉, 지금 CPU 를 누구에게 줄까? 하는 단계 

 

💡디스패처(dispatcher):  CPU를 사용할 프로세스를 결정한 후, 실제로 CPU를 해당 프로세스에게 넘겨주는 역할, CPU 스케줄러가 선택한 프로세스를 실행 상태(Running)로 만들어주는 기능 담당. 

- 문맥 전환(Context Switching), (사용자, 커널) 모드 전환(Mode Switching), 실행 상태(Running)로 전환

 

 

프로세스 스케줄링 - 방법 및 환경별 분류 

 

1. 선점 / 비선점 (preemptive / nonpreemtive) 스케줄링 

- 운영체제는 대부분 선점 스케줄링을 사용한다. 

- 선점 스케줄링일 경우, 실행 중인 프로세스를 강제로 중단하고 다른 프로세스를 실행할 수 있다. 

- 비선점 스케줄링일 경우, 하나의 프로세스에 CPU 할당되면 그 프로세스가 끝날때까지 다른 프로세스가 CPU 를 선점할 수 없다. 

- 효과적인 선점 스케줄링을 위해서는 많은 프로세스들이 주기억장치(RAM) 에 있어야한다. 

- 비선점일 경우, 아무리 짧은 프로세스라 하더라도 기다려야 한다. = 공정한 대우 

 

 

2. 우선순위(priority) 스케줄링 

- 각 프로세스에 우선순위를 부여해, 우선순위가 높은 순서대로 처리하는 방법

- 긴급한 작업을 먼저 실행할 수 있음

- 정적 우선순위(static priority): 상대적으로 오버헤드 적으나, 주위 여건 변화에 적응 X (유연성 X) 

- 동적 우선순위(dynamin priority): 처음에 우선순위가 부여되더라도 조정 가능하다 

- 하지만 무한 대기(Starvation) 문제가 발생할 수 있음 → 에이징(Aging) 기법을 사용해 해결하도록한다. 

 

 

3. 기한부(Deadline) 스케줄링

- 실시간 시스템(Real-Time System)에서 중요!

- 일반적인 운영체제보다는 특수한 환경(임베디드, 실시간 시스템)에서 주로 사용됨. 

- 작업들이 명시된 시간이나 기한 내에 완료되도록 하는 것.

- 하드 실시간 시스템(Hard Real-Time): 반드시 기한을 맞춰야 함 (예: 항공기 제어 시스템

- 소프트 실시간 시스템(Soft Real-Time): 기한을 넘겨도 시스템이 작동하지만 성능 저하 (예: 동영상 스트리밍)

 

 

 

 

4. 다중 프로세서(Multiprocessor) 스케줄링

- 멀티코어 CPU 환경에서 중요한 개념

- 단일 CPU 환경에서는 중요하지 않지만, 현대 운영체제에서는 필수적으로 고려됨.

- 멀티코어 CPU 또는 여러 개의 CPU가 있을 때, 어떻게 프로세스를 배분할지 결정하는 스케줄링 기법

 

 

 

 

프로세스 스케줄링 알고리즘 4가지 

 

1. FCFS (First-Come, First-Served)

- 가장 간단한 스케줄링 기법으로 비선점 스케줄링 방법 중 하나이다. 

"가장 처음에 들어온 게 먼저 실행된다" 때문에 다른 프로세스의 선점 못하는 것!! 

- 모든 프로세스는 대기 큐에 도착한 순서대로 CPU 를 할당 받는다. 

- 모든 프로세스는 동일하게 취급 받는다. 

- 다른 방식에 비해 작업 완료 시간 예측 용이함

- BUT 오늘날에는 주된 방식으로 사용되지는 않음. (오늘날엔? 우선순위에 따라 실행하며, 우선순위 같은 프로세스들에 한해 FCFS 방식대로 함. 즉, 부분적으로 사용) 

 

출처: 운영체제 (박규석, 김창수, 배인한, 이준연, 박홍진 지음) 65p

프로세스 도착순서가 위와 같이 p1, p2, p3 일때 버스트 시간은 차례대로 21, 3, 6
평균 반환 시간 = (21+24+30) / 3 = 25

평균 대기 시간 = (0+21+24) / 3 = 15

 

책 내용을 바탕으로 재구성한 이미지

반면 프로세스 도착순서가  p2, p1, p3 일 때에는 

평균 반환 시간 = (3+24+30) / 3 = 19

평균 대기 시간 = (0+3+24) / 3 = 9 가 된다 ! 

 

 

 

 

2. SJF (Shortest Job First)

- 기다리고 있는 프로세스 중에서 실행시간이 가장 짧은 것을 먼저 수행

- 비선점형(Non-Preemptive) (SRT와 차이점!)

- 단점: 긴 프로세스는 무한 대기(Starvation)할 수도 있음. (Aging으로 해결 가능)

- 수행(실행)시간을 예측하는 것에 의존함. 정확하게 알 수는 없음. 그래서 완벽하게 구현하는 것은 어렵다. 

출처: 운영체제 (박규석, 김창수, 배인한, 이준연, 박홍진 지음) 67p

FCFS 방식의 평균 반환 시간 : (7+5+18+24) / 4 = 16

SJF 방식의 평균 반환 시간 : (3+9+16+24) / 4 = 13 

* 누적해서 더하고 있음. 

 

 

 

 

 

3. 우선순위 (Priority) 스케줄링 ⭐ ⭐ 

- 각 프로세스에 우선순위를 부여하고 우선순위가 높은 순서대로 실행한다. 

- 선점형 / 비선점형 둘 다 가능하다 (ready 큐에 도착하면, 현재 실행 중인 프로세스와 비교하여 선점하거나 단순히 작업 큐에 새로운 프로세스를 넣고 CPU 할당을 기다린다.) 

- 문제점: 무한대기 발생 가능  (Aging으로 해결 가능)

- 우선순위가 같을 때에는 FCFS 순서로 스케줄됨. 

- 우선순위 스케줄링의 문제점은 무한대기(indefinite blocking), 기아 현상(starvation) : 실행 준비 되었으나 cpu 를 사용하지 못하는 프로세스는 cpu 를 계속 대기한다. 이때 우선순위가 낮으면 무한히 대기하는 경우가 생김. 

- 이를 해결하기 위한 에이징(aging) 기법: 오랫동안 시스템에서 대기하는 프로세스들의 우선순위를 점진적으로 증가시키는 방법. 

 

💡중앙처리장치 버스트(CPU burst): CPU 가 프로세스를 실행하는 동안 끊김없이 연속적으로 CPU 를 사용하는 시간 

 - 프로세스는 cpu 만 계속 쓰는 게 아니라 <<cpu 3ms 사용->I/O 대기-> cpu 5ms 사용>> 이런식으로 반복됨. 여기서 3ms, 5ms가 CPU burst 임 ! 

 

 

 

 

4. 라운드 로빈 (Round Robin)

- 각 프로세스가 동일한 시간 (Time Quantum) 을 주고 번갈아가면서 실행 

- 선점형 (Preemptive). 

- 일정한 시간(보통 10~100ms)이 되면 대기 중인 다른 프로세스에 cpu 넘어감. 즉, 선점됨. 

- 실행 중이던 프로세스는 준비완료 리스트 (작업 큐) 에서 가장 뒤로 보내진다. 

- 시분할 방식 시스템에서 효과적이다 (ex. 대화형 시스템 Interactive System) 

- I/O 발생 시, 다음 프로세스에게 넘겨준다. 유휴 시간이 발생하기 때문에. 문맥교환을 감수하는 편이 나음. 입출력 발생할 때까지 프로세스를 수행한다. 

💡오버헤드(Overhead): 실제 작업 이외에 추가적으로 발생하는 비용 

ex)

1)문맥 전환(Context Switching) 오버헤드 : CPU가 한 프로세스에서 다른 프로세스로 전환이 너무 잦으면 CPU가 "실제 작업"을 하는 대신 "문맥 전환"에 시간을 낭비하게 됨

2)스케줄링 오버헤드 : 운영체제가 어떤 프로세스를 실행할지 결정하는 과정에서 Ready Queue 관리, 우선순위 계산, 스케줄러 실행 시간 등이 추가적으로 발생

3) 동기화 오버헤드 (멀티스레드, 락) : 여러 스레드가 공유 자원에 접근할 때,데이터가 꼬이지 않도록 락(Lock)을 걸거나, 동기화(Synchronization)를 해야 함 but 락을 걸고 해제하는 과정 자체도 시간이 걸림

 

이외에도 SRT (Shortest Remaining Time), 다단계 큐 (Multilevel Queue), 다단계 피드백 큐 (Multilevel Feedback Queue), HRN (Highest Response Ratio Next) 등이 있다  !! 기본적인 4가지만 먼저 정리해보았다. 

 

 

끝 ! 

 

알림: *개인 공부 목적으로 정리한 글입니다* 

참고한 책: 운영체제 (박규석, 김창수, 배인한, 이준연, 박홍진 지음) - 생능출판