현대 운영체제는 여러 프로세스를 동시에 실행시키는 다중프로그래밍 운영체제이다. 구동중인 프로세스가 여러개이기 때문에, CPU 스케줄링을 통해 어떤 프로세스가 CPU에 할당될지 결정된다. 각각의 프로세스들은 어떻게 구분될까?
커널은 시스템 전체에 하나의 프로세스 테이블을 두고 실행 중인 모든 프로세스들을 관리한다. 또한 프로세스를 생성할 때마다 PCB를 생성하여 프로세스의 정보를 저장한다.
그 후, 프로세스 테이블의 비어있는 항목에 PID(프로세스 번호)와 함께 PCB를 연결한다.
운영체제는 프로세스들을 PID로 구분한다.
PCB는 프로세스 관리의 메타 데이터들을 저장해놓은 곳이다. 하나의 PCB에는 하나의 프로세스 정보가 담긴다.
- 생성
프로세스가 생겨나고, 프로세스 주소 공간에 코드, 데이터, 스택 공간이 생성된 후 PCB가 생성되고 프로세스 정보가 저장된다. - 제거
프로세스가 종료되면 PCB도 제거된다.
Pointer: 프로세스의 현재 위치를 저장Process State: 현재 프로세스의 상태 정보(Create, Ready, Running, Waiting, Terminated)PID (Process ID): 프로세스 고유 식별 번호Program Counter: 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소Registers: 누산기*, 범용 레지스터* 등 CPU 레지스터Memory Limits: 메모리 관리 시스템 정보(페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등)Open File Lists: 프로세스가 실행 중에 열어놓은 파일에 관한 정보
*레지스터: 중앙처리 장치 내부에 위치한 고속 데이터 저장소. 매우 빠른 속도로 데이터에 접근이 가능
*누산기(Accumulator): 연산 결과를 일시적으로 저장하는 레지스터, 주로 산술 및 논리 연산을 수행하는데 사용
*범용 레지스터: 다양한 목적으로 사용되는 CPU 내의 레지스터 중 하나. 프로그램 실행 중 필요한 임시 데이터나 주소 저장하는데 유용
여러 프로세스를 스케줄링 하기 위해 현재 프로세스의 상태*가 필요하고, CPU는 이를 토대로 스케줄링 한다.
만약 어떤 프로세스로부터 인터럽트가 발생해서 현재 프로세스가 잠시 대기 상태가 되고 인터럽트가 발생된 프로세스를 실행 상태로 바꿀 때, 대기 중인 프로세스 정보를 잃어버리면 처음부터 다시 시작해야 한다.
따라서 여러 프로세스를 이어서 잘 실행하기 위해 대기 중인 프로세스의 직전 정보와 상태를 저장하는 공간인 PCB가 필요하다.
커널은 현재 CPU가 실행 중인 프로세스를 중단시키고 다른 프로세스를 실행시킬 때, 현재 프로세스가 실행 중인 상황 정보, 즉 프로세스 컨텍스트*를 PCB에 저장한다.
*프로세스 상태: 운영체제 커널 코드에 의해 프로세스의 상태가 바뀐다. New(프로세스 생성된 상태), Ready(프로세스가 스케줄링을 기다리는 '대기' 상태), Running(프로세스가 CPU에 의해 현재 '실행'되고 있는 상태), Blocked or Wait(Running 상태에서 시스템 호출이 발생했을 때), Terminated/Zombie(프로세스가 종료하고 PCB가 프로세스 테이블에 남아있는 상태), Terminated/Out(Zombie 상태의 PCB를 시스템에서 제거하고 프로세스 테이블의 항목에서 제거한 상태. 즉, 시스템에서 완전히 사라진 상태).
*프로세스 컨텍스트: 현재 프로세스의 실행 상태를 나타내는 레지스터 값이다.
- 연결리스트 방식으로 관리되기 때문에 삽입, 삭제가 용이하다.
- PCB List Head에 PCB들이 생성될 때마다 이어붙게 된다.
프로세스가 생성되면
Ready Queue에 들어가는데, 실제론 PCB가 연결리스트로 연결되어 있다.
- 여러 프로세스들이 CPU 스케줄링에 의해서 실행되는 데, 이 과정에서 프로세스를 바꾸는 행위(갈아끼우는)를
Context Switching이라고 한다. - 원래 실행중이던 프로세스의 정보를 PCB에 저장하고, 바뀌는 프로세스의 정보를 PCB에 저장된 내용을 토대로 레지스터에 적재하는 과정이다.
- 여러 프로세스들을 동시에 수행하는 것처럼 보이게 하기 위해 사용한다.
- 인터럽트 발생하는 경우
- 프로세스의 선점시간*이 종료되는 경우
- 입출력(파일 읽기, 네트워크 수신 등)을 위해 대기하는 경우
*프로세스 선점시간: CPU를 할당받는 시간
Context Switching 과정에서 CPU는 아무것도 하지 못하기 때문에 너무 빈번하게 일어나면 성능이 떨어질수 있다.
Context Switching Overhead를 주의 해야한다.