[ 면접을 위한 cs 전공지식 노트 정리 ] 3.운영체제 : 프로세스와 스레드 1

(출처 :  https://www.inflearn.com/course/%EA%B0%9C%EB%B0%9C%EC%9E%90-%EB%A9%B4%EC%A0%91-cs-%ED%8A%B9%EA%B0%95)

3.3 프로세스와 스레드

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정
3.3.2 프로세스의 상태
3.3.3 프로세스의 메모리 구조
3.3.4 PCB

 

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3.3 프로세스와 스레드

프로세스는(process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰이며, 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.

 

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정

 

프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화된 것을 말한다.
예를 들어 프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)과 같은 실행 파일이며 이를 더블클릭하면 구글 프로그램 프로세스가 시작되는 것이다. 
프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것을 의미한다.

 

• 전처리
  소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.
  
  
• 컴파일러
  오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 이를 어셈블리어로 변환한다.
  
  
• 어셈블러
  어셈블리어는 목적코드(object code)로 변환된다.
  확장자는 운영체제마다 다르며 리눅스에서는 .o 이다.
  
  
• 라이브러리
  • 정적 라이브러리
    프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식으로,
    시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
    
    
  • 동적 라이브러리
    프로그램 실행 시 필요할 때만 DDL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식이며,
    메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점이 있다.
• 링커
  프로그램 내에 있는 라이브러리의 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다.
  실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out 이라는 확장자를 갖는다.

3.3.2 프로세스의 상태

• 생성 상태(create)
  프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성하며, 이때 PCB(Process Control Block, 프로세스 제어 블록, 특정한 프로세스를 관리할 필요가 있는 정보를 포함하는 운영 체제 커널의 자료 구조) 가 할당된다.

• fork()
  부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다.
  주소 공간만 복사할 뿐 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.
• exec()
  새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

• 대기 상태(ready)
  메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.
  
  
• 대기 중단 상태(ready suspended)
  메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.
  
  
• 실행 상태(running)
  CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행중인 상태를 의미하며 CPU *burst가 일어났다고도 표현한다.
  
  * 버스트(burst): 어떤 기준에 따라 한 단위로 취급되는 연속된 신호 혹은 데이터의 set, 어떤 현상이 짧은 시간 안에 집중적으로 일어남, 주기억 장치의 블록을 캐시에 적재하는 것
  
  
• 중단 상태(blocked)
  어떤 이벤트가 일어난 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태이다.
  I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 하는데 예를 들면 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘 때가 있는 상태를 말한다.
  
  
• 일시 중단 상태(blocked suspended)
  대기 중단과 유사하며, 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.
  
  
• 종료 상태(terminated)
  메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다.
  자연스럽게 종료될 때도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적종료(abort)로 종료되는것도 있다.
  자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생한다.

3.3.3 프로세스의 메모리 구조

스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

• 스택(stack)
  지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 동적인 특징을 갖는다.
  스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워놓는다.
  
  
• 힙(heap)
  동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정되며 동적인 특징을 갖는다.
  예를 들어 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당된다.
  
  
• 데이터 영역(BSS segment, Data segment)
  전역변수, 정적변수가 저장되고 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역이다.
  데이터 영역은 BSS 영역과 Data 영역으로 나뉜다.

• BSS 영역 : 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장됨
• Data 영역 : 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장됨

• 코드 영역(code segment)
  프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역이다.
  수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 갖는다.

3.3.4 PCB

 

PCB(Process Control Block)은 운영체제에서 프로세스에 대한 *메타데이터를 저장한 데이터를 말하며, 프로세스 제어 블록이라고도 한다. 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. 이는 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 데이터이다.

 

• 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 명령어의 주소에 관한 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(contetxt swtiching)
  
  PCB를 교환하는 과정을 말하며, 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.
  
  컴퓨터는 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이지만 어떤 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다.
  (사실 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명은 틀린 설명이지만, 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어를 기준으로 설명한다.)
  
  컨텍스트 스위칭이 일어날 때 유휴 시간(idle tiem)이 발생하는데 이는 컴퓨터 시스템이 사용 가능한 상태이나 실제적인 작업이 없는 시간을 뜻한다.
  이뿐만 아니라 컨텍스트 스위칭에 드는 비용이 더 있는데 이것이 바로 캐시미스이다.

• 비용 : 캐시미스
  컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.
  
  
• 스레드에서의 컨텍스트 스위칭
  컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어나는데, 스레드는  스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.