4 Process Outline (+Kernel Space)

프로세스는 컴퓨터 과학에서 중요한 개념으로, 실행 중인 프로그램을 나타냅니다. 프로세스는 운영 체제에서 관리되며, 각각 독립적으로 실행되는 프로그램의 인스턴스라고 생각할 수 있습니다. 

다양한 운영 체제에서는 프로세스를 생성, 관리, 스케줄링하고 자원을 할당하는데 사용되는 여러 메커니즘이 있습니다.

 

 

포그라운드 프로세스 (Foreground Process)

포그라운드 프로세스는 현재 사용자와 직접 상호 작용하는 프로세스를 나타냅니다. 사용자가 실행한 프로그램이나 명령이 포그라운드에서 실행되면 해당 작업이 완료될 때까지 제어를 계속 유지하며, 사용자는 그 진행 상황을 볼 수 있습니다.
주로 터미널 창에서 실행된 프로세스가 포그라운드에서 동작합니다.

 

일반 응용 프로그램들이 메모리에 올라가면 '프로세스'라 불립니다.

백그라운드 프로세스 (Background Process)

백그라운드 프로세스는 사용자와의 직접적인 상호 작용 없이 실행되는 프로세스를 의미합니다. 사용자가 다른 작업을 수행하거나 로그아웃해도 백그라운드에서 실행 중인 프로세스는 계속해서 실행됩니다. 프로세스를 백그라운드로 보내는 방법은 보통 명령어 뒤에 "&"를 붙이는 것입니다. 

 

 

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프로세스 제어 블록 (Process Control Block, PCB)

PCB는 운영 체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 자료 구조입니다. 각 프로세스마다 하나의 PCB가 할당되며, 프로세스의 상태, 레지스터 값, 스케줄링 정보, 메모리 관리 정보 등과 같은 중요한 정보를 저장합니다.

PCB에 들어가는 정보

• 프로세스 ID (=PID) : 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호 
• 프로세스 상태 (Process State): 프로세스가 현재 어떤 상태에 있는지를 나타냅니다. 주요 상태로는 실행 중, 준비 중, 대기 중 등이 있습니다.
• 프로그램 카운터 (Program Counter): 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리키는 레지스터 값입니다.
• 레지스터 상태 및 값: 프로세스의 레지스터 값들을 저장합니다. (자신의 차례가 왔을 때, 이전까지 사용한 레지스터 중간 값을 모두 복원하기 위해서) 
• CPU 스케줄링 정보: 프로세스의 우선순위, 스케줄링 큐에 대한 정보 등을 포함합니다.
• 메모리 관리 정보: 프로세스의 메모리 할당과 사용에 대한 정보를 가지고 있습니다. (페이지 테이블 정보) 
• 입출력 상태 정보: 현재 프로세스가 입출력 작업을 수행 중인 경우, 해당 상태와 관련된 정보를 포함합니다. 

이러한 정보들은 PCB를 통해 운영 체제가 프로세스를 관리하고, 프로세스 간 전환이나 상태 변화에 대응할 수 있도록 합니다. PCB는 프로세스의 실행이 일시 중단되거나 전환될 때 필요한 모든 정보를 보유하고 있어야 합니다.

 

 

 

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1번 프로세스의 차례가 끝나고 2번 차례의 프로세스에게 실행 순서가 왔을 때, 컴퓨터 내부에서 일어나는 과정을 살펴봅시다. 1번 프로세스는 우선 지금까지의 정보들을 백업합니다. 이 정보를 문맥(Context)라고 부릅니다. 이렇게 문맥을 백업해두면 언제든지 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있습니다. 

 

 

문맥 교환(Context Switching)은 여러 프로세스가 끊임없이 번갈아가며 실행되는 원리입니다. 이는 운영 체제가 다중 프로세스를 지원하고, 각 프로세스에 공평하게 CPU 시간을 할당하기 위해 필요한 작업입니다. 문맥 교환은 현재 실행 중인 프로세스의 상태를 저장하고, 대기 중인 다른 프로세스의 상태를 복원하여 이전 상태에서 계속 실행될 수 있도록 하는 과정을 포함합니다.

 

문맥 교환의 주요 단계

1. 현재 프로세스의 상태 저장: 현재 실행 중인 프로세스의 레지스터 값, 프로그램 카운터, 프로세스 상태 등을 PCB(프로세스 제어 블록)에 저장합니다 이 정보들은 나중에 이 프로세스가 다시 실행될 때 이전 상태로 복원하는 데 사용됩니다.
2. 다음 실행할 프로세스 선택: 스케줄러는 대기 중인 프로세스 중에서 다음에 실행할 프로세스를 선택합니다. 이 선택은 우선순위, 라운드 로빈 스케줄링 등 다양한 스케줄링 알고리즘에 따라 이루어집니다.
3. 선택한 프로세스의 상태 복원: 선택한 프로세스의 PCB에서 저장된 정보를 읽어와 해당 프로세스의 상태를 복원합니다. 레지스터 값, 프로그램 카운터 등을 이전에 저장된 값으로 설정하여 프로세스가 이전에 일시 중단된 시점에서 계속 실행될 수 있도록 합니다.
4. 다음 프로세스 실행: 문맥 교환 후, 선택된 프로세스가 이어서 실행됩니다. 이 과정에서 현재 프로세스는 일시 중단되고, 선택된 프로세스가 실행 중으로 전환됩니다.

문맥 교환은 자원 소모가 큰 작업 중 하나이며, 오버헤드가 발생할 수 있습니다. 따라서 효율적인 문맥 교환은 시스템의 성능에 중요한 영향을 미칩니다. 좋은 스케줄링 알고리즘과 문맥 교환의 최소화는 다중 프로세스 시스템의 효율성을 향상시키는 데 기여합니다. PCB(프로세스 제어 블록)와 문맥 교환(Context Switching)은 주로 운영체제의 커널 영역에서 관리됩니다.

 

 

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Process: A program in execution, representing an instance of a running application or task.

 

Foreground Process: Actively interacts with the user, typically executing tasks in the foreground, allowing user engagement.

Background Process: Operates independently of user interaction, executing tasks in the background without requiring direct user input.

Process Control Block (PCB): A data structure containing essential information about a process, including its state, program counter, and register values.

Context Switch: The process of saving and restoring a process's state, enabling seamless transition between multiple processes in a multitasking environment.