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컴퓨터 구조와 운영체제
운영체제 - 프로세스 상태와 계층 구조
프로세스 상태
컴퓨터는 여러 프로세스들을 빠르게 번갈아가며 실행하고, 그 과정에서 하나의 프로세스는 여러 상태를 거치며 실행된다.
그리고 운영체제는 프로세스의 상태를 PCB를 통해 인식하고 관리한다.
생성 상태
프로세스를 생성 중인 상태, 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태
생성 상태를 거쳐 실행할 준비가 완료된 프로세스는 곧바로 실행되지 않고 준비 상태가 되어 CPU의 할당을 기다린다.
준비 상태
당장이라도 CPU를 할당받아 실행할 수 있지만, 아직 자신의 차례가 아니기에 기다리고 있는 상태
준비 상태 프로세스는 차례가 되면 CPU를 할당받아 실행 상태가 된다.
준비 상태인 프로세스가 실행 상태로 전환되는 것을 디스패치라고 한다.
실행 상태
CPU를 할당받아 실행 중인 상태
할당된 일정 시간 동안만 CPU를 사용할 수 있다.
할당된 시간을 모두 사용한다면(타이머 인터럽트가 발생하면) 다시 준비 상태가 되고, 실행 도중 입출력장치를 사용하여 입출력 장치의 작업이 끝날 때까지 기다려야 한다면 대기 상태가 된다.
대기 상태
프로세스는 실행 도중 입출력장치를 사용하는 경우가 있다.
입출력 작업은 CPU에 비해 처리 속도가 느리기 때문에 대기 상태로 접어든다.
입출력 작업이 완료되면 해당 프로세스는 다시 준비 상태로 CPU 할당을 기다린다.
종료 상태
프로세스가 종료된 상태
프로세스가 종료되면 운영체제는 PCB와 프로세스가 사용한 메모리를 정리한다.
프로세스 계층 구조
프로세스는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있는데, 새 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스, 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다.
부모 프로세스와 자식 프로세스는 엄연히 다른 프로세스이기 때문에 다른 PID를 가진다.
많은 운영체제는 프로세스가 프로세스를 낳는 계층적인 구조로 프로세스들을 관리한다.
프로세스 생성 기법
부모 프로세스를 통해 생성된 자식 프로세스들은 복제와 옷 갈아입기를 통해 실행된다.
부모 프로세스는 fork를 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성해내고, 만들어진 복사본(자식 프로세스)은 exec를 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체한다.
fork와 exec은 시스템 호출이다. 부모 프로세스는 fork 시스템 호출을 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성한다.
즉, fork는 자기 자신 프로세스의 복사본을 만드는 시스템 호출이다.
자식 프로세스는 부모 프로세스의 복사본이기 때문에 메모리 내의 내용, 열린 파일의 목록 등과 같은 부모 프로세스의 자원들이 자식 프로세스에 상속된다.
fork를 통해 복사본이 만들어진 뒤에 자식 프로세스는 exec 시스템 호출을 통해 새로운 프로그램으로 전환된다.
exec는 자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰는 시스템 호출이다. (새로운 프로그램 내용으로 전환하여 실행하는 시스템 호출)
exec를 호출하면 코드 영역과 데이터 영역의 내용이 실행할 프로그램의 내용으로 바뀌고, 나머지 영역은 초기화된다.
정리하면, 부모가 자식 프로세스를 실행하며 프로세스 계층 구조를 이루는 과정은 fork와 exec가 반복되는 과정이라 볼 수 있다.
부모 프로세스로부터 자식 프로세스가 복사되고, 자식 프로세스는 새로운 프로그램으로 옷을 갈아입는 과정이 계층적으로 실행되는 것이다.
부모 프로세스가 자식 프로세스를 fork 한 뒤, 부모와 자식 누구도 exec를 호출하지 않는 경우도 있는데, 이 경우 부모와 자식 프로세스는 같은 코드를 병행하여 실행하는 프로세스가 된다.
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