프로세스 관리와 상태 전이 (Process Management)

프로세스 관리(Process Management)는 운영체제가 프로세스의 생성부터 종료까지 전 생애를 추적하고 통제하는 활동이며, 그 중심에는 프로세스가 생명주기 동안 오가는 상태 전이 모델이 있다. 프로세스는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료라는 상태를 오가며, 운영체제는 상태별 큐와 프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)을 이용해 수많은 프로세스를 질서 있게 관리한다. 상태 전이도를 정확히 그릴 수 있는지가 이 주제의 핵심이다.

프로세스 5상태 모델

프로세스의 생명주기는 다섯 상태로 정리된다.

• 생성(New): 프로세스가 만들어지는 중으로, PCB가 할당되고 자원이 준비된다.
• 준비(Ready): 실행에 필요한 것을 다 갖추고 CPU 배정만 기다린다.
• 실행(Running): CPU를 잡고 명령을 실행 중이다. 코어 하나당 한 프로세스만 이 상태다.
• 대기(Waiting, Blocked): 입출력 완료나 이벤트를 기다리며 CPU를 받아도 할 일이 없는 상태다.
• 종료(Terminated): 실행을 마쳤고 자원 회수를 기다린다.

상태 사이의 화살표가 더 중요하다. 준비에서 실행으로는 스케줄러의 디스패치(dispatch)로 넘어가고, 실행에서 준비로는 타임 퀀텀 만료나 선점으로 돌아온다. 실행에서 대기로는 입출력 요청 같은 사건으로 넘어가며, 대기에서 준비로는 기다리던 사건의 완료로 돌아온다. 주의할 점은 대기에서 곧바로 실행으로 갈 수 없다는 것이다. 사건이 끝나도 반드시 준비 상태를 거쳐 스케줄러의 선택을 다시 받아야 한다. 또한 준비에서 대기로 가는 전이도 없다. 기다릴 일은 실행 중에만 생기기 때문이다.

상태 큐와 PCB의 역할

운영체제는 상태별로 프로세스를 큐에 매달아 관리한다. 준비 큐(ready queue)에는 준비 상태의 PCB들이, 각 장치의 대기 큐(device queue)에는 그 장치를 기다리는 PCB들이 연결된다. 프로세스의 상태 전이는 곧 PCB를 한 큐에서 다른 큐로 옮기는 일이다. 예를 들어 실행 중이던 프로세스가 디스크 읽기를 요청하면, 커널은 그 PCB의 상태 필드를 대기로 바꾸고 디스크 대기 큐에 매단 뒤 준비 큐에서 다음 프로세스를 꺼내 디스패치한다. 디스크 인터럽트가 오면 해당 PCB를 대기 큐에서 떼어 준비 큐로 옮긴다. 이렇게 PCB는 프로세스 관리의 실질적인 단위이며, 커널이 보는 프로세스란 사실상 PCB 그 자체다.

세 종류의 스케줄러와 중지 상태

스케줄러	하는 일	실행 빈도
장기 스케줄러(Long-term)	디스크의 작업 중 어떤 것을 메모리에 올려 프로세스로 만들지 결정	드물게
중기 스케줄러(Medium-term)	메모리가 부족하면 프로세스를 통째로 스왑 아웃하고 나중에 다시 들임	필요할 때
단기 스케줄러(Short-term, CPU 스케줄러)	준비 큐에서 다음에 실행할 프로세스 선택	수십 밀리초 단위로 매우 자주

중기 스케줄러가 개입하면 5상태 모델에 중지 준비(suspended ready)와 중지 대기(suspended blocked) 상태가 추가된 7상태 모델이 된다. 메모리 밖으로 밀려난 프로세스는 다시 들어올 때까지 스케줄링 대상에서 제외된다. 시분할이 일반화된 현대 범용 운영체제에서는 별도의 장기 스케줄러 없이 프로세스가 생기는 즉시 준비 큐에 들어가고, 메모리 압박은 페이지 단위 회수로 대응하는 것이 보통이다.