[운영체제] PCB(Process Control Block)

PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타 데이터를 저장한 데이터를 말한다. '프로세스 제어 블록'이라고도 불린다.

프로세스가 생성되면, 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.

 

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고,

프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다.

그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 

PCB에는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다. 

* 메타데이터 : 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기

위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터

 

PCB의 구조

PCB는 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보들로 이루어져 있다.

• 프로세스 스케줄링 상태: '준비', '대기', '실행' 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
• 프로세스 ID : 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한 : 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터 : 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
• CPU 레지스터 : 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
• CPU 스케줄링 정보 : CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
• 계정 정보 : 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• I/O 상태 정보 : 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

 

컨텍스트 스위칭(context switching)

컨텍스트 스위칭이란 앞서 설명한 PCB를 교환하는 과정을 말한다.

한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 

컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만, 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 하나이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다. 

사실 현대 컴퓨터는 멀티코어 CPU를 가지기 때문에 여러 개의 프로세스를 한 시점에 실행할 수 있고 동시에 실행할 수 있는 프로세스의 개수를 초과하면 컨텍스트 스위칭이 실행된다.

아래 설명에서 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글 코어를 기준으로 설명한다. 

1. P0 프로세스가 실행하다 어떤 인터럽트나 시스템 콜에 의해 멈춘다.
2. 프로세스 P0의 PCB를 저장한다.
3. 실행하려는 프로세스 P1의 PCB를 불러와서 레지스터에 저장하고 실행한다.
4. 프로세스 P1 실행 중 인터럽트나 시스템콜에 의해 멈춘다.
5. 프로세스 P1의 PCB를 저장한다.
6. 다음 실행 프로세스로 정해진 P0의 PCB를 불러와서 레지스터 저장하고 실행한다.

컨텍스트 스위칭이 일어날 때, 위 그림처럼 유휴시간(idle time)이 발생하는 것을 볼 수 있다. 이 외에도 캐시 미스가 발생하는 단점이 있다.

 

• 컨텍스트 스위칭으로 인한 캐시 미스 
  • 캐시에는 현재 실행 중인 프로세스의 데이터가 들어있는데, 컨텍스트 스위치가 발생해서 실행중인 프로세스가 바뀌면 기존의 캐시 데이터는 필요 없어질 확률이 높다.
  • 그래서 컨텍스트 스위칭이 발생하면 캐시를 비운다.
  • 이 때문에 컨텍스트 스위칭 직후에는 캐시 미스가 많이 발생하게 된다.
  • 그래서, 메모리로 가서 캐시로 데이터를 올리고 CPU로 가져오는 횟수, 즉 메모리 접근 횟수가 증가하게 되어 오버헤드가 커진다.