프로세스와 스레드1(프로세스의 메모리 구조, PCB)
프로세스(process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며
CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰임.
스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭.
프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고,
운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행.
1. 프로세스와 컴파일 과정
프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 말함.
프로그램을 만드는 과정은 언어마다 다를 수 있으며 컴파일 언어인 C 언어 기반의 프로그램을 기준으로 컴파일러가 컴파일 과정을 통해 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만듦.
전처리
소스 코드의 주석을 제거하고 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환
컴파일러(Compiler)
오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환
어셈블러(Assembler)
어셈블리어는 목적 코드로 변환, 이때 확정자는 운영체제마다 다름.
링커(Linker)
프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듦.
실행 파일의 확정자는 .exe 또는 .out
정적 라이브러리와 동적 라이브러리
정적 라이브러리는 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식.
장점: 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮음.
단점: 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어짐.
동적 라이브러리
프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL(Dynamic-Link Library)이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리는 쓰는 방법.
장점: 메모리 효율성이 좋음. 단점: 외부 의존도가 높아짐.
2. 프로세스의 상태
프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 가짐.
생성 상태(Create)
프로세스가 생성된 상태를 의미, fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성. 이때 PCB가 할당.
fork(): 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수. 주소 공간만 복사할 뿐, 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않음.
exec(): 새롭게 프로세스를 생성하는 함수
대기 상태(Ready)
메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기,
CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기대리는 상태.
대기 중단 상태(Ready suspended)
메모리 부족으로 일시 중단된 상태.
실행 상태(Running)
CPU 소우권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미. 이를 CPU burst가 일어났다고도 표현.
중단 상태(Blocked)
어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태.
I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 함.
일시 중단 상태(Blocked suspended)
대기 중단과 유사, 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태.
종료 상태(Terminated)
메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태. 종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있으나 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 종료되는 것도 있음.
자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어설 때, 부모 프로세스가 종료됐을 때, 사용자가 process.kill 들 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생.
3. 프로세스의 메모리 구조
운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 스택(stack), 힙(heap), 데이터 영역(BSS segment, Data segment), 코드 영역(code segment)으로 나눠짐. 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당.
스택과 힙
스택과 힙은 동적 할당이 되며, 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것.
스택은 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들 거나 줄어드는 메모리 영역. 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장. 또한 재귀 함수가 호출된다고 했을 때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않음.
힙은 동적으로 할당되는 변수들을 담음. malloc(), free() 함수를 통해 관리, 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우 힙 영역을 사용. ex) vecter는 내부적으로 힙 영역을 사용함.
데이터 영역과 코드 영역
정적으로 할당되는 영역, 정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것.
BSS(Block Started by Symbol) segement는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당.
Data segment는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당.
code segment는 프로그램의 코드가 들어감.
4. PCB(Process Control Block)
운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터', 프로세스 제어 블록이라고도 함.
프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성.
프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당.
이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리, 이는 프로세스의 정요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택이 가장 앞부분에서 관리됨.
메타데이터(Metadata): 데이터에 관환 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
- 프로세스 스케줄링 상태: 준비, 일시중단 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 명령어 주소의 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)
PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정.
한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생.
'싱글코어'를 기준으로 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문.
(현대의 컴퓨터는 멀티 코어 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램은 맞지 않는 설명일 수 있음.
이 책에서는 싱글코어를 기준으로 설명함.)
프로세스 A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장 후 프로세스 B를 로드하여 실행.
다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드.
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 위 그림처럼 유휴시간(idle time)이 발생,
이뿐만 아니라 컨텍스트 스위칭에 드는 비용인 캐시미스도 일어남.
비용: 캐시미스
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생.
스레드에서의 컨텍스트 스위칭
이 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어남. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸림.
'면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성한 글입니다.