[운영체제] ch03. Process

📌 그림 전체 설명

• 이 그림은 .exe 실행파일이 메모리에 적재되고,
• 그 코드가 CPU에 의해 fetch → decode → execute 되는 흐름을 설명하고 있어.

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🧠 전체 흐름 단계별 설명

① 실행파일 a.exe가 DRAM(메인 메모리)에 적재

• 예: a.exe (주소: 0x452320)
• ✍️ 필기: "memory ← a.exe 적재됨"

② **코드(Code 영역)**가 DRAM 내에 위치함

• 코드 영역은 Read-only, 실행 가능한 명령어들이 저장됨

③ CPU가 메모리에서 명령어 fetch

• CPU 내부 구조에서:
  • Program Counter(PC): 현재 실행할 명령어 주소 저장
  • Instruction Register(IR): 명령어 보관 후 decode
• ✍️ 필기: “CPU fetch → decode → execute 순서로 명령 처리”

④ Kernel 영역은 별도 관리

• 커널 코드는 사용자 영역과 분리되어 보호됨

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✅ 암기 포인트 요약

• 실행파일(.exe)은 DRAM(메인 메모리)에 적재된다
• 코드 영역은 read-only로, CPU가 명령어를 fetch하는 대상이다
• CPU는 fetch → decode → execute 순서로 명령어를 실행한다
• Program Counter는 다음 명령어 주소를 가리키며, IR에 명령어가 로드되어 실행된다

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💡 보충 설명: 실행 흐름 정리

단계설명

1단계	실행파일 a.exe가 파일 시스템에서 DRAM으로 로드됨
2단계	DRAM 내 코드 영역에 명령어 저장됨
3단계	CPU의 PC가 해당 주소 가리키고 → fetch
4단계	IR로 명령어 전달 → decode → execute
5단계	PC는 다음 명령어 주소로 자동 증가

 

 

📄 프로세스의 개념 (Process is a program in execution)

 

 

전체 요약

프로세스란 실행 중인 프로그램이며, CPU가 이 프로그램을 실행할 때 필요한 상태 정보의 묶음을 '문맥(context)'라고 부른다.

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핵심 구성 요소 정리

▶ 문맥(context)

• 프로세스의 실행 상태 정보 전체
• ✍️ "CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 정보"라고 필기함
• 문맥에는 다음 정보들이 포함됨:
  • Program Counter (PC): 다음 실행할 명령어 주소
  • 레지스터 값들 (R1, R2, ..., Rn): 연산 도중의 중간값
  • 프로세스 주소 공간 정보 (code, data, stack)

▶ PCB (Process Control Block)

• 프로세스의 문맥을 저장하는 자료구조
• 프로세스 전환 시 이전 프로세스의 context는 PCB에 저장
• 새 프로세스를 실행할 땐 해당 PCB에서 context를 복원함
• ✍️ "프로세스 문맥 저장 구조"

▶ Program Counter (PC)

• 현재 CPU가 실행할 다음 명령어 주소 저장
• ✍️ "프로그램 카운터: 명령어 순서 기억", "jump할 주소도 포함"이라고 적혀 있음

▶ 커널 스택 (kernel stack)

• 시스템 콜, 인터럽트 등에서 사용되는 스택
• 사용자 스택과 별개로 존재
• ✍️ "system call 시 user → kernel stack으로 switch" 라고 표시됨

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흐름 요약

1. CPU는 현재 실행 중인 프로세스의 PC와 레지스터 값을 가지고 있음
2. 컨텍스트 스위칭 시:
   • 현재 프로세스의 PC/레지스터 값을 PCB에 저장
   • 다음 실행할 프로세스의 PCB에서 값 읽어서 레지스터/PC 복원
3. 시스템 콜 발생 시:
   • 사용자 모드 → 커널 모드 전환
   • 커널 스택 사용, 이후 다시 사용자 모드로 복귀

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✅ 암기 포인트

• 프로세스 = 실행 중인 프로그램
• 문맥(context) = 프로세스의 실행 상태 정보 전체
• Program Counter는 다음 명령어 주소를 저장하는 레지스터
• PCB는 프로세스 문맥 정보를 저장하는 커널 내부 자료구조
• 시스템 콜 시 user stack → kernel stack으로 전환된다
• CPU는 컨텍스트 스위칭 시 PCB를 이용해 문맥을 저장/복원한다

 
 
 

📄 프로세스의 상태 (Process States)

전체 구조 개요

프로세스는 실행 중 발생하는 이벤트에 따라 상태가 변화하며, 각 상태는 운영체제가 관리하는 큐(queue)를 통해 전이된다.

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주요 상태 설명

▶ New

• 새로 생성된 프로세스
• ✍️ 필기: NEW 상태에서 ready로 진입함

▶ Ready

• 실행 준비 완료된 상태
• Ready Queue에 들어가 있음
• ✍️ 필기: "Ready → Running 상태로 진입 시 CPU 할당받음"

▶ Running

• CPU를 실제로 점유하고 있는 상태
• 오직 하나의 프로세스만 Running 상태일 수 있음
• ✍️ 필기: CPU가 process 실행 중

▶ Blocked

• I/O 요청 등으로 인해 대기 중인 상태
• CPU는 사용하지 않으며, I/O Queue에 들어가 있음
• ✍️ 필기: 자원 요청하면 blocked 상태로 빠짐 → 완료되면 다시 Ready

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큐 설명 및 흐름

• 각 상태는 운영체제가 **큐(queue)**로 관리함:
  • Ready Queue: 실행 대기 중인 프로세스 모음 (ex. A, B, C, D, E)
  • Disk/Keyboard I/O Queue: I/O 요청 중인 프로세스 모음 (blocked)
• Running 중 I/O 요청 → 해당 I/O queue로 이동 (Blocked 상태)
• I/O 작업 완료 시 → 인터럽트로 OS에 통보 → 다시 Ready Queue로 이동

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상태 전이 흐름 요약 (필기 반영)

• ✍️ 프로세스는 ready → running → blocked → 다시 ready 순으로 상태가 계속 변함
• ✍️ CPU가 running 중인 상태에서 context switching 발생 시 → 다시 ready로 이동
• ✍️ I/O가 끝나야 blocked 상태에서 벗어날 수 있음 (인터럽트 발생으로 전환)

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✅ 암기 포인트

• Ready: 실행 준비 상태 (CPU 기다림)
• Running: CPU가 현재 실행 중인 상태
• Blocked: I/O 등 자원 대기 상태 (CPU 미사용)
• 인터럽트 발생 시 Blocked → Ready로 상태 전이
• Context switching 발생 시 Running → Ready로 전이됨
• Ready Queue / I/O Queue는 각 상태를 운영체제가 관리하기 위한 자료구조

 
 

📄 문맥 교환 (Context Switch)

전체 개요

문맥 교환이란 CPU가 한 프로세스의 실행 상태(context)를 PCB에 저장하고, 다른 프로세스의 상태를 복원하여 실행을 전환하는 과정이다.

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핵심 구성 요소 설명

▶ CPU 내부 구성 (레지스터, PC, ALU)

• Program Counter (PC): 다음 명령어 주소
• 레지스터들 (R1~Rn): 연산 도중의 값 저장
• ALU: 연산 장치
• ✍️ 필기: "PC + R 값을 PCB에 백업 / 복원"

▶ Process A, B의 PCB

• 각각의 프로세스는 자신의 PCB에 PC, R1~Rn 값을 저장함
• 프로세스 전환 시 PCB 값이 교체됨

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흐름 정리

① Process A 실행 중

• CPU는 A의 레지스터/PC 값을 가지고 실행 중
• 문맥 스위치 발생하면 → 현재 상태를 A의 PCB에 저장 (✍️ "backup")

② PCB 스위치

• A의 PCB → 저장
• B의 PCB → 복원 (✍️ "restore")

③ Process B로 전환됨

• B의 레지스터/PC 값이 CPU로 로드됨
• CPU는 이제 B의 명령어부터 실행 시작

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✅ 암기 포인트

• Context Switch는 실행 중인 프로세스의 상태(context)를 PCB에 저장하고, 다른 프로세스의 상태를 복원하는 작업이다
• context에는 Program Counter와 모든 레지스터 값이 포함된다
• context switch 시 CPU는 backup → restore의 과정을 거친다
• PCB는 각 프로세스의 문맥 정보를 담는 커널의 자료구조다
• context switch는 시간이 많이 드는 작업이다 (비용 있음)

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필기 정리 포인트

• ✍️ “backup: PC, R 값 A에 저장 / restore: B의 PCB에서 PC, R 값 복원”
• ✍️ “ALU 연산 중간 결과도 레지스터에 저장되므로 중요함”
• ✍️ “문맥 교환 시 저장/복원만 하지, 명령어 실행은 하지 않음”

 
 
 

📄 문맥 교환 (Context Switch)의 조건과 발생 시점

전체 요약

문맥 교환이란 반드시 CPU를 다른 프로세스에 넘길 때만 발생하며,
단순히 커널 모드로 진입하는 모든 상황에서 발생하는 건 아니다!

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상황 ①: 커널 진입은 했지만 Context Switch는 없음

흐름

• 사용자 프로세스 A 실행 중 → system call 또는 interrupt 발생
• 커널 모드로 전환됨
• A의 커널 코드 실행
• 다시 A의 사용자 모드로 복귀

✍️ 필기 설명

• “process A는 계속 실행됨 (A→A), context switch X”
• “단순 커널 진입만으론 PCB save 필요 X”

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상황 ②: 진짜 Context Switch 발생

흐름

• 사용자 프로세스 A 실행 중 → system call 또는 interrupt 발생
• 커널 진입
• 스케줄러가 A 중단하고 B 선택
• → A의 context 저장 + B의 context 복원

✍️ 필기 설명

• “A → B로 교체, context switch O”
• “PCB 저장 + 레지스터/PC 값 복원 필요”
• “스케줄러가 개입한 경우만 진짜 문맥 교환”

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✅ 암기 포인트

• 커널 모드 진입이 항상 context switch를 의미하지는 않는다
• 문맥 교환은 CPU를 다른 프로세스에게 넘길 때 발생
• context switch 시에는 PCB에 PC + 레지스터 값 저장/복원
• A → A인 경우 (커널 진입만 하고 다시 사용자 모드 복귀)는 문맥 교환 아님
• A → B인 경우에만 문맥 교환 발생

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📦 Ready Queue와 Device Queue

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구조 설명

• Ready Queue: 실행 가능한 프로세스 리스트
  • 예: PCB A, B, C, D
  • ✍️ 필기: “linked list로 관리됨”
• Device Queue (ex. Disk I/O Queue): 자원을 기다리는 프로세스 리스트
  • 예: 키보드, 디스크, 프린터 등 각각의 장치마다 큐 존재

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흐름 예시

• Process A가 read() 시스템 콜 호출
• → I/O 요청 → A는 blocked 상태로 Disk Queue에 들어감
• → 다른 프로세스(B)가 CPU 사용하게 됨
• ✍️ 필기: “keyboard interrupt 발생 시, A가 stop되고 B가 실행됨”

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✅ 암기 포인트

• Ready Queue는 실행 준비 상태의 프로세스들을 관리
• Device Queue는 자원 요청 중인 blocked 프로세스들을 관리
• read() 등 I/O 요청 시 해당 device queue로 이동
• I/O 완료 시 인터럽트 → 다시 Ready Queue로 이동

 
 
 

📄 프로세스 상태도 (Process State Diagram – 확장 모델)

전체 흐름 개요

프로세스는 실행 흐름에 따라 여러 상태로 전이되며, 실행 상태뿐 아니라 중지(suspend) 상태도 존재한다.

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상태 목록과 의미

상태의미

New	생성 중인 상태 (아직 준비 안 됨)
Ready	실행 가능한 상태 (CPU 대기 중)
Running (User mode)	CPU 사용 중 (사용자 프로그램 실행)
Running (Monitor mode)	커널 모드 진입 후 시스템 콜, 인터럽트 처리 중
Blocked (Sleep, wait)	I/O 완료 등 이벤트 대기 중
Exit	프로세스 종료 상태
Suspended Ready	메모리에서 쫓겨났지만 실행 준비 상태
Suspended Blocked	메모리에서 쫓겨났고, 이벤트도 기다리는 상태

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상태 전이 흐름 정리 (→는 전이 방향)

• New → Ready: 프로세스가 준비 완료됨
  ✍️ 필기: “기다리는 중 상태 아님!”
• Ready → Running (User mode): CPU 할당됨
  → ✍️ 필기: “CPU 할당받아 실행”
• Running (User) → Monitor mode: 시스템 콜 또는 인터럽트 발생
  → ✍️ “trap, system call 등으로 커널 진입”
• Running → Blocked: I/O 요청 등으로 대기 상태
  ✍️ “event 대기 (ex. 디스크, 키보드)”
• Running → Ready: 타 프로세스에 의해 선점됨 (preempted)
  ✍️ “할당시간 초과로 전환됨”
• Blocked → Ready: 이벤트 발생 (I/O 완료) → 깨어남
  ✍️ “interrupt 발생으로 ready 복귀”
• Running → Exit: 프로세스 종료
  ✍️ “exit() 호출 등”
• Blocked → Suspended Blocked: 메모리 부족 등으로 메모리에서 쫓겨남 (swap out)
• Suspended Blocked → Blocked: 다시 메모리 올라오면 (swap in)
• Ready ↔ Suspended Ready: 메모리 상태에 따라 swap in/out

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✅ 암기 포인트

• New → Ready는 "생성 완료"를 의미하고 실행 대기 시작
• Ready → Running은 스케줄러에 의해 CPU 할당됨
• Running → Monitor mode는 시스템 콜이나 인터럽트에 의해 진입
• Running → Blocked는 I/O 등의 이벤트 대기 (CPU 반납)
• Running → Ready는 타 프로세스에 의해 선점될 때
• Blocked 상태에서 I/O 완료 시 → Ready 복귀 (인터럽트)
• Suspended는 메모리에서 쫓겨난 상태이며, swap으로 복귀 가능
• Exit은 프로세스가 완전히 종료된 상태

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필기 요약 포함 핵심 정리

• ✍️ “interrupt & system call 시점 = trap → 커널 진입”
• ✍️ “suspended는 메모리 부족 등의 이유로 발생”
• ✍️ “exit은 완전히 종료된 상태로 inactive 영역 진입”

 
 

📄 Thread (스레드)

 

전체 요약

Thread란 CPU 실행을 위한 최소 단위이며, 프로세스 내에서 실행되는 가벼운 작업 단위이다.

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Thread의 정의

• 슬라이드 정의:
• “A thread (or lightweight process) is a basic unit of CPU utilization.”
• ✍️ 필기:
  • “= PC, register, memory 3개 가지고 다님”
  • “call stack 단위로 문맥 저장/복원된다”

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✅ Thread의 구성 요소 (개별적으로 가짐)

• Program Counter (PC): 다음에 실행할 명령어 주소
• Register Set: 연산 중 필요한 레지스터 값
• Stack Space: 함수 호출/복귀 위한 공간

➡️ 이들은 스레드마다 독립적

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✅ 스레드 간 공유하는 자원 (하나의 프로세스 내에서)

• Code Section: 실행할 프로그램 코드 (공용)
• Data Section: 전역 변수 등 (공용)
• OS Resources: 열린 파일, 통신 채널 등 (공용)

➡️ 이들은 프로세스 전체에 속함, 모든 스레드가 함께 접근

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필기 포함 요약

• ✍️ "Thread는 lightweight process이며, process 하나당 여러 thread 가질 수 있음"
• ✍️ "프로세스는 하나지만 thread는 여러 개 생성 가능 (예: Thread1, Thread2, Thread3)"
• ✍️ "process 단위로 자원 공유, thread 단위로 실행 상태 관리"

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✅ 암기 포인트

• Thread는 CPU 스케줄링의 최소 단위이며, PC/레지스터/스택을 개별로 가진다
• Thread는 같은 프로세스 내 다른 스레드와 코드/데이터/OS 리소스를 공유한다
• Thread는 lightweight process로 불리며, 하나의 프로세스 안에 여러 개 존재 가능하다
• 각 Thread는 call stack 단위로 독립적인 실행 흐름을 유지한다

 

📄 Thread의 구조와 멀티스레딩의 개념

 

전체 요약

하나의 프로세스 안에 여러 개의 스레드가 존재하며, 공통 주소 공간(code, data)을 공유하고, 개별 스택을 가진다.

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주소 공간 구조

• 공통 영역:
  • code, data, heap은 모든 thread가 공유함
• 개별 영역:
  • stack은 각 thread마다 개별로 존재
  • ✍️ 필기: “스택은 각자 따로! (context 저장 때문)”

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PCB (Process Control Block)와 Thread

• 하나의 프로세스에 대해 하나의 PCB 존재
• PCB 내부에 여러 개의 **TCB(Thread Control Block)**처럼 스레드 정보가 포함됨
• 각 스레드는 자기만의 PC, register, stack을 갖고, PCB의 자원을 함께 사용

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예시 구조 설명

• ✍️ 필기:
  • “Thread1~3 → 공통 메모리(code/data), 개별 스택 사용”
  • “Thread가 교체될 때 register와 stack만 교체되면 됨”
  • “context switch는 Thread 단위로 가능”
• 그림 설명:
  • PCB는 전체 프로세스 상태를 포함
  • Thread1, Thread2, Thread3는 같은 프로세스 내 스레드

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오른쪽 그림 (브라우저 예시)

• Browser process = 하나의 프로세스
• 각 탭은 Thread1, Thread2, ...
• 공통 메모리 사용하며, 사용자 요청에 따라 각각 동작
• ✍️ 필기: “서버 응답 기다리는 동안 다른 탭이 block되지 않음”

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✅ 암기 포인트

• Thread는 stack과 register set은 개별적으로 갖고, code/data/OS자원은 공유한다
• 하나의 프로세스에 여러 개의 스레드가 존재할 수 있고, 이는 멀티스레딩 구조다
• PCB는 프로세스 단위로 존재하며, Thread의 context는 개별적으로 유지된다
• 멀티스레드는 CPU 자원을 효율적으로 쓰고, 병렬 실행을 가능하게 한다
• 멀티스레드 구조에서는 한 스레드의 block이 전체 프로세스를 멈추게 하지 않는다

 
 

📄 Thread의 병렬성 및 멀티스레딩 장점

 
 

전체 요약

멀티스레드는 하나의 프로세스 안에서 여러 작업을 동시에 처리할 수 있도록 하며, 병렬성과 응답성을 크게 향상시킨다.

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설명 정리

• 다중 스레드로 구성된 태스크는 서버 스레드 하나가 blocked(waiting) 상태여도
  → 다른 스레드가 실행(running) 상태에서 계속 작업 가능
• 즉, 스레드는 서로 독립적으로 실행되며, 병렬성 제공

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✅ 암기 포인트

• 멀티스레드는 하나의 프로세스에서 여러 흐름을 동시에 실행할 수 있다
• 스레드 하나가 blocked 상태여도, 다른 스레드는 계속 running 가능하다
• 이를 통해 throughput(처리량)과 responsiveness(응답성)이 향상된다
• 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다

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✍️ 필기 정리

• “T1이 blocked 되어도 T2, T3는 계속 작동 가능”
• “브라우저에서 T1은 로딩, T2는 사용자 이벤트 처리 가능”
• “server가 응답 느릴 때도 browser는 작동 유지됨”
• “CPU 효율 향상”

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오른쪽 도식 (스레드 트리 구조)

• 하나의 프로세스(P)에서 여러 스레드(T)가 파생됨
• P → T1, T2, T3 … 구조로 각각 독립된 실행 흐름 가짐
• PCB는 공통, stack은 스레드마다 따로

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브라우저 예시 다시 요약

• Browser process = 하나의 프로세스
• Tab 1 → Thread 1
  Tab 2 → Thread 2
  Tab 3 → Thread 3
• T1이 서버 응답 기다리는 동안 T2, T3는 멀쩡히 실행됨
• 이로 인해 “한 탭 문제로 전체 브라우저 멈추지 않음”