OSTEP 04. Processes

운영체제를 공부할 때 가장 먼저 잡아야 하는 개념 중 하나가 프로세스(Process)입니다. 프로세스는 단순히 디스크에 저장된 프로그램 파일이 아니라, 운영체제가 메모리에 올리고 실행 상태를 부여한 실행 중인 프로그램입니다.

이번 글은 OSTEP 4장 Processes를 공부하며 정리한 내용입니다.

한 문장 요약

프로세스는 실행 중인 프로그램이며, 운영체제는 시분할과 문맥 교환을 사용해 적은 수의 CPU로도 많은 프로세스가 각자 CPU를 가진 것처럼 보이게 만듭니다.

핵심 질문

질문	핵심 답변
CPU가 여러 개 존재한다는 환상을 어떻게 제공하는가?	운영체제는 CPU를 짧은 시간 단위로 여러 프로세스에 번갈아 배정합니다. 이 시분할 방식은 실제 CPU 수보다 많은 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이게 하지만, CPU를 나누어 쓰므로 각 프로세스의 개별 성능은 낮아질 수 있습니다.
프로세스란 무엇인가?	프로세스는 실행 중인 프로그램입니다. 디스크에 있는 프로그램 파일은 정적인 코드와 데이터일 뿐이고, 운영체제가 이를 메모리에 올리고 실행 상태를 부여하면 프로세스가 됩니다.
프로세스는 어떤 상태를 포함하는가?	주소 공간, 레지스터, 프로그램 카운터, 스택 포인터, 열린 파일 목록처럼 실행을 재개하는 데 필요한 기계 상태를 포함합니다.
프로그램은 어떻게 프로세스가 되는가?	운영체제는 코드와 정적 데이터를 주소 공간에 적재하고, 스택과 힙을 준비하고, 표준 입출력 같은 I/O 상태를 초기화한 뒤, 엔트리 포인트에서 실행을 시작합니다.
프로세스 상태 전이는 왜 필요한가?	모든 프로세스가 항상 CPU를 사용할 수는 없습니다. 준비, 실행, 대기 상태를 구분해야 스케줄러가 CPU를 줄 프로세스를 선택하고, I/O를 기다리는 프로세스 대신 다른 프로세스를 실행할 수 있습니다.
운영체제는 프로세스를 어떻게 관리하는가?	운영체제는 프로세스 리스트와 PCB(Process Control Block) 같은 자료구조에 프로세스 상태, PID, 레지스터 문맥, 열린 파일, 부모 프로세스 등의 정보를 저장합니다.

프로그램과 프로세스

구분	의미
프로그램	디스크에 저장된 실행 파일입니다. 코드와 정적 데이터를 담고 있지만 그 자체로는 실행 중이 아닙니다.
프로세스	운영체제가 프로그램을 실행 가능한 상태로 만든 것입니다. 메모리, 레지스터, 열린 파일 등 실행 문맥을 함께 가집니다.

프로그램은 레시피에 가깝고, 프로세스는 그 레시피를 실제로 따라 조리 중인 실행 상태에 가깝습니다. 같은 프로그램 파일에서 여러 개의 프로세스가 만들어질 수 있으며, 각 프로세스는 독립적인 실행 상태를 가집니다.

CPU 가상화

CPU 가상화의 핵심은 한 프로세스를 잠시 실행하고, 멈춘 뒤, 다른 프로세스를 실행하는 것입니다. 운영체제는 이 과정을 빠르게 반복해서 여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이게 만듭니다.

개념	설명
시분할	CPU 시간을 여러 프로세스가 번갈아 사용하게 하는 방식
문맥 교환	실행 중인 프로세스의 상태를 저장하고 다른 프로세스의 상태를 복원하는 기법
메커니즘	문맥 교환처럼 어떤 기능을 가능하게 하는 저수준 구현 방법
정책	여러 선택지 중 무엇을 고를지 결정하는 알고리즘
스케줄링 정책	준비 상태의 프로세스 중 어떤 프로세스를 실행할지 결정하는 정책

메커니즘은 “어떻게 가능한가”에 답하고, 정책은 “무엇을 선택할 것인가”에 답합니다. CPU 가상화에서 문맥 교환은 메커니즘이고, 다음에 실행할 프로세스를 고르는 스케줄러는 정책입니다.

프로세스의 기계 상태

운영체제가 프로세스를 멈췄다가 다시 실행하려면, 나중에 이어서 실행할 수 있는 정보를 저장해야 합니다.

상태	의미
주소 공간	프로세스가 접근할 수 있는 코드, 데이터, 힙, 스택 메모리 영역
레지스터	현재 계산에 사용 중인 CPU 내부 값
프로그램 카운터	다음에 실행할 명령어 위치
스택 포인터/프레임 포인터	함수 호출, 지역 변수, 반환 주소를 관리하는 스택 위치
열린 파일 목록	프로세스가 사용 중인 파일과 I/O 자원

개념적으로 PCB는 다음과 같은 정보를 담습니다.

struct process_control_block {

int pid;

enum process_state state;

struct address_space *address_space;

struct register_set registers;

struct file *open_files[MAX_OPEN_FILES];

struct process_control_block *parent;

};

실제 운영체제의 구조체는 훨씬 복잡하지만, 핵심은 프로세스를 멈췄다가 다시 시작하는 데 필요한 실행 문맥을 보관한다는 점입니다.

프로세스 생성 흐름

디스크에 있는 프로그램 파일을 읽습니다.
코드와 정적 데이터를 프로세스의 주소 공간에 적재합니다.
실행시간 스택을 만들고 argc, argv 같은 인자를 초기화합니다.
힙 영역을 준비합니다.
표준 입력, 표준 출력, 표준 에러 같은 I/O 상태를 초기화합니다.
엔트리 포인트에서 실행을 시작합니다.

초기 운영체제는 실행 전에 코드와 데이터를 모두 메모리에 올렸지만, 현대 운영체제는 필요한 부분을 나중에 가져오는 방식을 사용합니다. 이 지연 적재는 이후 메모리 가상화, 페이징, 스와핑에서 더 자세히 다루게 됩니다.

프로세스 상태

상태	의미	대표 원인
Running	CPU에서 명령어를 실행 중인 상태	스케줄러가 CPU를 배정함
Ready	실행할 준비는 되었지만 CPU를 받지 못한 상태	다른 프로세스가 실행 중
Blocked	어떤 사건이 끝나기를 기다리는 상태	디스크 I/O, 네트워크 입력, 이벤트 대기

프로세스 상태 전이는 다음 다이어그램으로 정리할 수 있습니다.

stateDiagram-v2
    [*] --> Ready: 생성 완료
    Ready --> Running: 스케줄됨
    Running --> Ready: 스케줄 해제
    Running --> Blocked: I/O 요청 또는 이벤트 대기
    Blocked --> Ready: I/O 완료 또는 이벤트 발생
    Running --> [*]: 종료

중요한 점은 Blocked 상태의 프로세스는 당장 CPU를 사용할 수 없다는 것입니다. 운영체제는 이런 프로세스를 기다리게 하고, 대신 Ready 상태의 다른 프로세스를 실행해 CPU 이용률을 높입니다.

상태 전이 예시

CPU만 사용하는 두 프로세스라면 한 프로세스가 실행되는 동안 다른 프로세스는 준비 상태로 기다립니다.

시간	Process0	Process1	설명
1-4	Running	Ready	Process0 실행
5-8	종료	Running	Process1 실행

반면 Process0이 I/O를 요청하면, 운영체제는 Process0을 Blocked로 보내고 Process1을 실행할 수 있습니다.

시간	Process0	Process1	설명
1-3	Running	Ready	Process0 실행 후 I/O 요청
4-6	Blocked	Running	Process1 실행, Process0은 I/O 대기
7-8	Ready	Running	I/O 완료 후 Process0은 준비 상태
9-10	Running	종료	Process0 재실행 후 종료

이 예시는 운영체제의 스케줄링 결정이 성능에 직접 영향을 준다는 점을 보여줍니다. CPU를 사용할 수 없는 프로세스를 계속 붙잡고 있으면 CPU가 놀게 되지만, 다른 준비된 프로세스를 실행하면 전체 이용률을 높일 수 있습니다.

정리

프로세스는 CPU 가상화의 기본 단위입니다. 운영체제는 프로세스마다 독립적인 실행 문맥을 제공하고, 시분할과 문맥 교환으로 CPU를 나누어 씁니다.

프로세스 상태를 Ready, Running, Blocked로 구분하면 CPU를 사용할 수 있는 프로세스와 기다려야 하는 프로세스를 분리할 수 있습니다. 그 결과 운영체제는 CPU 이용률을 높이고, 여러 프로그램이 동시에 실행되는 것 같은 환경을 제공할 수 있습니다.

다음 장의 Process API는 이 프로세스를 사용자가 어떻게 생성하고, 기다리고, 다른 프로그램으로 바꾸는지를 Unix 시스템 콜 관점에서 설명합니다.