[컴퓨터공학] 운영체제의 프로세스에 대해 자세히 알아보자!

프로그램을 실행시키면 프로세스라 말하며 운영체제의 핵심 기능 중 하나는 이 프로세스를 관리 하는 기능입니다. 이번 글에서는 운영체제의 프로세스에 대해 자세히 알아보겠습니다.

운영체제의 프로세스

1. 프로세스란 무엇인가?

프로세스(Process)는 실행 중인 프로그램을 의미합니다. 프로그램은 디스크에 저장된 정적인 코드로, 실행되지 않는 한 프로세스가 아닙니다. 반면, 프로세스는 메모리에 로드되어 CPU의 명령어를 수행하고 있는 동적인 실행 단위입니다. 프로세스는 프로그램의 실행을 위한 다양한 정보를 포함하며, 운영체제는 이 정보를 관리합니다.

프로세스의 상태

프로세스는 실행 중 여러 상태를 거치게 됩니다. 주요 상태는 다음과 같습니다:

  • 생성 상태(New): 프로세스가 생성 중인 상태입니다.
  • 준비 상태(Ready): 실행 준비가 완료되어 CPU 할당을 기다리는 상태입니다.
  • 실행 상태(Running): CPU를 할당받아 명령어를 실행 중인 상태입니다.
  • 대기 상태(Waiting): 입출력 작업 등의 이벤트를 기다리는 상태입니다.
  • 종료 상태(Terminated): 실행이 완료되어 종료된 상태입니다.

2. 프로세스 관리

운영체제는 프로세스의 생성을 관리하고, 실행 중인 프로세스를 모니터링하며, 필요할 때 프로세스를 종료합니다. 이를 위해 운영체제는 다양한 데이터를 저장하고 관리합니다.

프로세스 제어 블록(PCB)

프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)은 프로세스의 중요한 정보를 저장하는 자료구조입니다. PCB에는 다음과 같은 정보가 포함됩니다:

  • 프로세스 식별자(PID): 프로세스의 고유 식별 번호입니다.
  • 프로그램 카운터(PC): 다음에 실행할 명령어의 주소를 저장합니다.
  • CPU 레지스터: 프로세스 실행 중 사용되는 모든 레지스터의 값을 저장합니다.
  • 메모리 관리 정보: 프로세스가 사용하는 메모리 영역에 대한 정보입니다.
  • 입출력 상태 정보: 입출력 장치와 관련된 정보입니다.
  • 프로세스 상태: 현재 프로세스의 상태입니다.

운영체제는 PCB를 사용하여 프로세스 간의 문맥 교환(Context Switching)을 수행합니다. 이는 한 프로세스의 상태를 저장하고, 다른 프로세스의 상태를 복원하는 작업입니다.

3. 프로세스 스케줄링

프로세스 스케줄링은 CPU 시간을 여러 프로세스에 공정하게 분배하는 작업입니다. 스케줄링 알고리즘은 프로세스의 우선순위와 요구에 따라 CPU를 할당합니다.

스케줄링 알고리즘

운영체제는 다양한 스케줄링 알고리즘을 사용하여 프로세스를 관리합니다. 주요 스케줄링 알고리즘은 다음과 같습니다:

  • FCFS(First-Come, First-Served): 먼저 도착한 프로세스를 먼저 실행합니다. 간단하지만, 대기 시간이 길어질 수 있습니다.
  • SJF(Shortest Job First): 실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 먼저 실행합니다. 평균 대기 시간을 최소화할 수 있지만, 실행 시간이 긴 프로세스가 무한히 대기할 수 있습니다.
  • RR(Round Robin): 각 프로세스에 일정한 시간(타임 퀀텀)을 할당하여 순차적으로 실행합니다. 공정성을 보장하며, 반응 시간을 개선할 수 있습니다.
  • Priority Scheduling: 우선순위가 높은 프로세스를 먼저 실행합니다. 우선순위는 프로세스의 중요도에 따라 결정됩니다.

4. 프로세스 간 통신(IPC)

프로세스 간 통신(IPC, Inter-Process Communication)은 서로 다른 프로세스가 데이터를 주고받을 수 있도록 하는 메커니즘입니다. 운영체제는 다양한 IPC 방법을 제공하여 프로세스 간의 협력과 데이터 공유를 지원합니다.

주요 IPC 기법

  • 메시지 패싱(Message Passing): 프로세스 간에 메시지를 주고받는 방식입니다. 송신자와 수신자가 메시지를 교환하여 데이터를 전달합니다.
  • 공유 메모리(Shared Memory): 여러 프로세스가 공통의 메모리 영역을 공유하여 데이터를 주고받는 방식입니다. 효율적이지만 동기화 문제를 해결해야 합니다.
  • 파이프(Pipes): 한 프로세스의 출력을 다른 프로세스의 입력으로 사용하는 통신 방식입니다. 주로 단방향 통신에 사용됩니다.
  • 소켓(Sockets): 네트워크 상의 프로세스 간에 데이터를 주고받는 방식입니다. 주로 클라이언트-서버 모델에서 사용됩니다.

5. 프로세스 동기화

프로세스 동기화는 여러 프로세스가 동시에 실행될 때 발생할 수 있는 문제를 해결하기 위한 기법입니다. 동기화 문제는 주로 공유 자원에 대한 접근에서 발생합니다. 운영체제는 세마포어(Semaphore), 뮤텍스(Mutex) 등의 동기화 기법을 제공하여 프로세스 간의 데이터 일관성을 유지합니다.

주요 동기화 기법

  • 세마포어(Semaphore): 공유 자원에 대한 접근을 제어하기 위해 사용되는 정수 변수입니다. P(wait)와 V(signal) 연산을 통해 자원 사용을 조정합니다.
  • 뮤텍스(Mutex): 상호 배제를 위해 사용되는 기법으로, 한 번에 하나의 프로세스만 자원에 접근할 수 있도록 합니다.

결론

운영체제의 프로세스 관리는 컴퓨터 시스템의 효율적이고 안정적인 운영을 위해 필수적인 기능입니다. 프로세스는 실행 중인 프로그램으로, 운영체제는 프로세스의 생성, 실행, 종료를 관리하고, 프로세스 간의 통신과 동기화를 지원합니다. 프로세스 스케줄링과 동기화 기법을 통해 운영체제는 여러 프로세스가 공정하게 CPU 시간을 할당받고, 데이터 일관성을 유지할 수 있도록 합니다.

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