프로세스 상태: 생성, 실행, 대기, 종료

프로세스

1. 프로세스란?

컴퓨터에서 프로그램이 실행되면, 운영체제는 해당 프로그램을 **프로세스(Process)**로 관리한다. 즉, 프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미하며, CPU와 메모리를 할당받아 동작한다. 운영체제는 컴퓨터의 리소스를 효율적으로 사용하기 위해 여러 개의 프로세스를 동시에 실행할 수 있도록 멀티태스킹(Multitasking) 환경을 제공한다. 이 과정에서 운영체제는 프로세스를 여러 가지 상태로 나누어 관리하며, 각 상태 간 전환이 이루어진다.

1-1. 프로세스와 프로그램의 차이

많은 사람들이 "프로세스"와 "프로그램"을 혼동하지만, 두 개념은 다르다.

 

구분	프로그램	프로세스
정의	실행 가능한 명령어와 데이터의 집합	실행 중인 프로그램
저장 위치	하드디스크(SSD/HDD)	RAM(메모리)
실행 여부	실행되지 않은 상태	운영체제에 의해 실행 중
예시	chrome.exe (실행 파일)	크롬을 실행한 후, 여러 개의 열린 탭

 

즉, 프로그램은 단순한 실행 파일이지만, 프로그램이 실행되어 CPU와 메모리를 사용하면 프로세스가 된다.

1-2. 프로세스의 주요 구성 요소

운영체제는 각 프로세스를 독립적으로 실행하기 위해 다음과 같은 주요 구성 요소를 관리한다.

• 코드(Code) 영역: 프로그램의 실행 명령어가 저장됨
• 데이터(Data) 영역: 전역 변수, 상수 등의 정보 저장
• 힙(Heap) 영역: 실행 중 동적으로 할당된 메모리 공간
• 스택(Stack) 영역: 함수 호출 시 지역 변수와 반환 주소 저장
• 프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block): 운영체제가 프로세스를 관리하기 위한 정보(프로세스 ID, 우선순위, 상태 등)

1-3. 프로세스의 실무 활용 사례

• 웹 브라우저 실행
  • 사용자가 크롬(Chrome)을 실행하면 새로운 프로세스가 생성됨
  • 각 탭은 별도의 프로세스로 실행되어 독립적으로 동작 (멀티 프로세스 구조)
• 백그라운드 서비스
  • 운영체제는 백그라운드에서 자동으로 실행되는 프로세스를 관리함
  • 예: 바이러스 검사 프로그램, 시스템 업데이트, 네트워크 관리 서비스
• 멀티태스킹 환경
  • 사용자가 문서 편집, 음악 재생, 웹 서핑을 동시에 수행할 때, 운영체제는 여러 개의 프로세스를 관리하여 원활한 멀티태스킹 제공

1-4. 프로세스를 효율적으로 관리하는 이유

운영체제가 프로세스를 상태별로 관리하는 이유는 다음과 같다.

• CPU 자원을 최적화하여 멀티태스킹 가능
• 각 프로세스 간 충돌 방지 및 독립적인 실행 보장
• 불필요한 리소스 낭비 방지 및 성능 최적화

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2. 프로세스의 주요 상태

운영체제에서 하나의 프로세스는 다음과 같은 주요 상태를 거친다.

프로세스 상태: 생성, 실행, 대기, 종료

상태	설명
생성(New)	새로운 프로세스가 생성되는 단계
준비(Ready)	CPU를 기다리는 상태
실행(Running)	CPU를 할당받아 실행 중인 상태
대기(Waiting)	I/O 작업 등으로 인해 CPU 사용이 불가능한 상태
종료(Terminated)	실행이 끝나고 운영체제에서 제거된 상태

 

이제 각 상태에 대해 자세히 살펴보자.

2-1. 생성 상태 (New State)

새로운 프로세스가 운영체제에 의해 생성되는 단계이다.

 

✅ 생성 상태에서의 주요 과정

1. 프로세스 요청
   • 사용자가 응용 프로그램을 실행하거나, 시스템 내부에서 새로운 프로세스를 생성할 경우 발생
   • 예: 사용자가 웹 브라우저(Chrome, Edge)를 실행하면 새로운 프로세스가 생성됨
2. 운영체제의 초기화 과정
   • 운영체제는 **프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)**을 생성하여 프로세스를 관리
   • 프로세스의 고유한 ID(PID), 상태 정보, 메모리 할당 정보, 우선순위 등을 설정
3. 준비 상태로 전환
   • 프로세스가 정상적으로 생성되면 준비(Ready) 상태로 이동하여 실행을 대기

2-2. 준비 상태 (Ready State)

프로세스가 CPU를 할당받을 준비가 완료된 상태이다.

 

✅ 특징

• 프로세스가 실행될 준비가 되었지만, CPU가 다른 작업을 수행 중이라 아직 실행되지 않음
• CPU 스케줄러에 의해 실행 순서가 결정됨
• 운영체제는 여러 개의 프로세스를 Ready Queue(준비 큐)에 저장하여 관리

✅ 예시

• 사용자가 여러 개의 응용 프로그램을 실행했을 때, 모든 프로그램이 동시에 실행될 수 없으므로 일부는 준비 상태에서 대기
• 게임을 실행할 때, 메뉴 화면에서 시작 버튼을 누르기 전까지 프로세스는 Ready 상태에 있음

2-3. 실행 상태 (Running State)

프로세스가 CPU를 할당받아 실행 중인 상태이다.

 

✅ 특징

• 운영체제는 CPU 스케줄링 알고리즘을 사용하여 Ready 상태의 프로세스 중 하나를 선택해 CPU를 할당
• 멀티코어 CPU 환경에서는 여러 개의 프로세스가 동시에 실행될 수 있음
• 특정 조건이 발생하면 대기(Waiting) 상태 또는 준비(Ready) 상태로 변경될 수 있음

✅ 상태 전환 조건

• I/O 요청 발생 → 대기(Waiting) 상태로 이동
• CPU 할당 시간이 초과됨 → 다른 프로세스에 CPU 할당 (Ready 상태로 전환)
• 프로세스가 정상적으로 종료됨 → 종료(Terminated) 상태로 이동

✅ 예시

• 문서 편집기를 실행하여 타이핑할 때, CPU가 해당 프로세스에 할당되어 실행됨
• 동영상 플레이어가 영상을 재생할 때, CPU가 지속적으로 데이터를 처리하여 화면에 출력

2-4. 대기 상태 (Waiting State)

프로세스가 I/O 작업을 기다리는 상태이다.

 

✅ 특징

• CPU를 사용하지 않고, 입출력 작업(I/O)을 대기 중인 상태
• 키보드 입력, 파일 읽기/쓰기, 네트워크 요청 등의 작업이 발생하면 대기 상태로 이동
• I/O 작업이 완료되면 다시 Ready 상태로 돌아가 CPU를 기다림

✅ 예시

• 사용자가 웹 브라우저에서 웹사이트를 열면, 네트워크에서 데이터를 받아오는 동안 대기 상태로 전환됨
• 프린터에 문서를 출력할 때, 프린터가 준비될 때까지 프로세스는 Waiting 상태로 이동

2-5. 종료 상태 (Terminated State)

프로세스가 실행을 완료하고 운영체제에서 제거되는 상태이다.

 

✅ 특징

• 정상적인 종료 또는 오류로 인해 프로세스가 종료됨
• 운영체제는 PCB(프로세스 제어 블록)를 삭제하고, 할당된 메모리를 해제
• 일부 프로세스는 자식 프로세스를 생성 후 종료될 수도 있음 (예: 부모 프로세스가 자식 프로세스를 실행한 후 종료됨)

✅ 예시

• 사용자가 엑셀, 크롬, 게임 등의 프로그램을 종료하면 해당 프로세스가 Terminated 상태로 이동
• 프로그램이 비정상적으로 충돌(크래시)하여 종료되면 운영체제가 강제로 프로세스를 종료함

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3. 프로세스 상태 전이 (State Transition)

운영체제에서 하나의 프로세스는 실행되는 동안 여러 상태를 오가며 동작한다.
이러한 상태 전이를 운영체제가 관리하여, CPU 자원을 효율적으로 사용하고 멀티태스킹을 원활하게 수행할 수 있도록 한다.

3-1. 프로세스 상태 전이 흐름

하나의 프로세스는 다음과 같은 상태 전이를 거친다.

 

1️⃣ 생성(New) → 준비(Ready)

• 새로운 프로세스가 생성되면, 운영체제는 해당 프로세스를 준비 상태(Ready)로 이동시킨다.
• 예시: 사용자가 웹 브라우저를 실행하면, 브라우저 프로세스가 생성되며, CPU 할당을 기다리는 준비 상태가 된다.

2️⃣ 준비(Ready) → 실행(Running)

• 운영체제의 **CPU 스케줄러(CPU Scheduler)**가 준비 큐(Ready Queue)에 있는 프로세스 중 하나를 선택하여 실행한다.
• 예시: 사용자가 브라우저에서 검색 버튼을 클릭하면, 해당 요청을 처리하기 위해 브라우저 프로세스가 CPU를 할당받아 실행된다.

3️⃣ 실행(Running) → 대기(Waiting)

• 실행 중인 프로세스가 I/O 작업(입출력, 네트워크 요청 등)을 수행해야 하는 경우, CPU를 반납하고 대기 상태로 전환된다.
• 예시: 사용자가 웹사이트를 방문하면, 네트워크에서 데이터를 다운로드하는 동안 브라우저는 대기 상태가 된다.

4️⃣ 대기(Waiting) → 준비(Ready)

• 대기 상태에 있던 프로세스가 I/O 작업이 완료되면 다시 준비 상태로 돌아가 CPU를 기다린다.
• 예시: 웹 브라우저가 네트워크에서 데이터를 다 받아오면 다시 실행 가능 상태가 되어 준비 큐로 이동한다.

5️⃣ 실행(Running) → 종료(Terminated)

• 프로세스가 실행을 마치고 더 이상 수행할 작업이 없으면 운영체제는 해당 프로세스를 종료 상태로 이동시킨다.
• 예시: 사용자가 브라우저를 닫으면, 관련된 모든 프로세스가 종료(Terminated) 상태로 이동하고 운영체제에서 제거된다.

3-2. 프로세스 상태 전이의 주요 원인

• CPU 할당 (Ready → Running)
  • CPU가 준비 상태의 프로세스 중 하나를 선택하여 실행할 때 발생
  • 예시: 다중 작업 환경에서 특정 응용 프로그램이 CPU를 할당받아 실행됨
• I/O 요청 (Running → Waiting)
  • 프로세스가 파일 읽기/쓰기, 네트워크 요청 등의 작업을 수행하기 위해 CPU를 반납할 때 발생
  • 예시: 음악 스트리밍 서비스에서 새로운 곡을 불러오는 동안 대기 상태가 됨
• I/O 완료 (Waiting → Ready)
  • 대기 상태에 있던 프로세스가 I/O 작업을 완료하고 다시 CPU 실행 대기 상태로 돌아올 때 발생
  • 예시: 네트워크 요청이 완료되어 웹 페이지가 로드되면 다시 실행 가능 상태가 됨
• 타임 슬라이스 초과 (Running → Ready)
  • 선점형 스케줄링 방식에서, 프로세스가 CPU를 일정 시간 사용한 후 다른 프로세스에게 CPU를 넘겨줄 때 발생
  • 예시: 라운드 로빈(Round Robin) 스케줄링 방식에서 일정 시간 동안만 CPU를 사용한 후 다른 프로세스로 교체됨
• 프로세스 종료 (Running → Terminated)
  • 프로그램이 정상적으로 실행을 완료하거나, 오류가 발생하여 종료될 때 발생
  • 예시: 문서 편집기를 닫으면 해당 프로세스가 종료됨

3-3. 프로세스 상태 전이 예제 (실제 시나리오)

예제: 사용자가 웹 브라우저를 실행하는 과정

 

1️⃣ 사용자가 크롬 브라우저 실행 버튼을 클릭 → New (생성 상태)

• 운영체제가 새로운 크롬 프로세스를 생성

2️⃣ 운영체제가 크롬을 준비 상태로 이동 → Ready (준비 상태)

• 크롬 프로세스가 실행 대기 큐에 등록됨

3️⃣ CPU가 크롬 프로세스를 선택하여 실행 → Running (실행 상태)

• 크롬이 실행되며, 메인 창이 표시됨

4️⃣ 사용자가 웹사이트를 입력하고 접속 버튼을 누름 → Waiting (대기 상태)

• 크롬이 네트워크에서 데이터를 받아오는 동안 CPU를 반납하고 대기 상태로 전환

5️⃣ 웹사이트 데이터 다운로드 완료 → Ready (준비 상태)

• 데이터가 모두 로드되면, 크롬 프로세스는 다시 준비 상태가 됨

6️⃣ CPU가 크롬을 다시 실행하여 웹페이지를 렌더링 → Running (실행 상태)

• 페이지가 완전히 로드되고 사용자가 볼 수 있도록 화면에 표시됨

7️⃣ 사용자가 브라우저를 닫음 → Terminated (종료 상태)

• 크롬 프로세스가 종료되고, 운영체제에서 제거됨