[OS Basics] 프로세스(Process)의 정의와 구조

Process 의 정의

Process란?

• 실행 중인 프로그램의 하나의 실행 단위 (An instance of a program in Execution)
• OS에서 program이 실행되면, 단순히 코드를 읽는 것이 아니라 독립적인 실행 환경 (=process)이 구성됨
• 비유를 하자면…
  • User: 요리를 주문하는 손님
  • OS: 요리사
  • Program: 요리 레시피
  • Process: 실제로 요리중인 음식

Program과 Process의 차이

항목	Program	Process
상태	Static (실행되지 않은 코드)	Dynamic (실행 중인 상태)
저장 위치	주로 Disk (파일 형태로 존재)	Memory에 적재되어 실행됨
생성 시점	작성 / 설치 시	Program을 실행할 때 OS 에 의해
예시	hello.exe, main.c	program 을 실행했을 때 만들어진 실행 단위

Process의 구조

Logical Address Space (논리 주소 공간)

• OS는 Program이 실행되면 process에 독립적인 주소 공간을 할당
  • = Logical Address Space
• 구성 요소

영역	역할
Text Segment	실행 code
Data Segment	전역 변수, static 변수 등
Heap	동적 memory
Stack	함수 호출, 지역 변수 저장

• 각 process 는 고유한 Logical Address Space를 가짐
  • 서로 다른 process 간에는 직접적인 memory 침범 불가

OS가 Process State을 관리하는 핵심 구조: PCB (Process Control Block)

• PCB: OS가 개별 process를 관리하기 위해 유지하는 데이터 구조
• 구성 요소

영역	역할
Process State	현재 process의 state
Program Counter	다음에 실행할 명령어의 주소
CPU Registers	수행 중이던 작업을 저장 (Context Switching 시 필요)
Memory Management Info	Page Table, Segment Table 등 메모리 관련 정보
Procces ID	Process 고유 식별자
Accounting Info	CPU 사용 시간, Process 시작 시간 등
I/O 상태 정보	어떤 I/O 자원을 요청했는지, 대기 중인 장치 등

Process의 실행 흐름

Process States

• Process 는 특정 시점에 하나의 State를 가진다
• Process는 실행을 위해 여러 State를 오가며, OS 가 이를 State transition으로 관리
• 대표적인 5가지 process state | 상태 | 설명 | | – | – | | New | Process가 생성 중인 상태 (ex. Program 실행 명령이 들어온 시점) | | Ready | 실행할 준비가 된 상태 (CPU가 할당되기만을 기다리고 있음) | | Running | CPU가 할당되어 실제 명령을 수행 중인 상태 | | Waiting(Blocked) | I/O 등의 이벹르를 기다리는 중이라 실행할 수 없는 상태 | | Terminated | 실행을 마치고 종료된 상태 (자원을 회수 중이거나 회수됨) |

Process State Transition

1. **New → Ready**  
   - 프로세스가 생성되어 실행 준비 완료 *(Admitted)*

2. **Ready → Running**  
   - 스케줄러가 CPU 할당 *(Scheduler Dispatch)*

3. **Running → Waiting (Blocked)**  
   - 입출력(I/O) 등 외부 이벤트 대기 *(I/O or event wait)*

4. **Waiting → Ready**  
   - I/O 완료 등 이벤트 발생 시 준비 상태로 복귀 *(I/O or event completion)*

5. **Running → Ready**  
   - 타임 슬라이스 종료 (Context Switching 발생) *(Time-out)*
   - Context Switching 발생

6. **Running → Terminated**  
   - 실행 완료 또는 종료 명령 *(Release)*

상태 관리가 필요한 이유

• CPU 는 한 번에 하나의 Process만 실행 가능 (Multi-Cores는 병렬 처리 가능)
• System 자원을 효율적으로 분배하고 충돌을 방지하기 위해

Thread와의 비교

Thread

• Process 내에서 실행되는 작업 단위
• 여러 Thread는 하나의 Process가 할당 받은 자원(code, data, heap) 을 공유
• 각 Thread는 독립적인 stack, program counter, register 집합을 가짐
  • 같은 자원을 공유하므로 통신 비용이 낮고, 작업 분할이 빠름

Multiprocessing 과 Multithreading

항목	Multiprocessing	Multithreading
실행 단위	여러 개의 독립된 process 실행	하나의 process 내 여러 thread 실행
메모리 공간	process마다 독립된 memory 공간 사용	memory 공간 공유 (stack 만 분리)
안정성	하나가 죽어도 다른 process는 영향 x	하나의 thread가 죽으면 전체 process에 영향 o
자원 소비	상대적으로 무겁고 resource 소모 큼	가볍고 빠름. context switching 비용 작음
통신 방식	IPC(Inter-Process Communication) 필요	공유 메모리를 통한 간단한 통신 가능