프로세스

• 프로세스 : 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
  • CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업
• 스레드 : 프로세스 내 작업의 흐름

-> 프로그램이 메모리에 올라가면, 프로세스가 되는 인스턴스화
-> 이후, 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스 실행

프로세스와 컴파일 과정

• 프로세스 : 프로그램으로부터 인스턴스화 된 것

  • ex) 구글 설치 실행 프로그램(프로그램)을 두번 클릭하면 크롬 '프로세스'가 시작

• 프로그램 : 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐, 컴퓨터가 이해할 수 잇는 기계어로 번역되어, 실행될 수 있는 파일이 되는 것

• 컴파일 과정 ->
  

전처리

• 소스의 코드의 주석을 제거, #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환

컴파일러

• 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

어셈블러

• 목적 코드(object code)로 변환
• 확장자는 운영체제마다 다름 (리눅스는 .o) -> test.c 파일 생성시, test.o 파일 생성됨

링커

• 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여, 실행 파일 생성
• 실행 파일의 확장자는 .exe 나 .out

정적 라이브러리

• 프로그램 빌드 시, 라이브러리가 제공하는 모든 코드르 실행 파일에 넣는 방식
• 시스템 환경 등 외부 의존도⬇️, 코드 중복 등 메모리 효율성 ⬇️

동적 라이브러리

• 프로그램 실행 시, 필요할 때만 DLL 함수를 통해 참조하는 방식
• 메모리 효율성에서의 장점, 외부 의존도 ⬆️

프로세스의 상태

• 프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 갖음

생성 상태

• 프로세스가 생성된 상태
• fork() 나 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 상속하진 않음

exec()

• 새롭게 프로세스를 생성하는 함수

대기 상태

• 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고, 아니면 아닌 상태로 대기
• CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태

대기 중단 상태

• 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

실행 상태

• CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태
• CPU burst 가 일어났다고도 표현

중단 상태

• 이떤 이벤트 발생 후, 프로세스가 차단된 상태
• I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 많이 발생
  • ex) 프린트 인쇄 버튼 클릭 시, 프로세스가 잠깐 멈춘 듯한 상태

일시 중단 상태

• 대기 중단과 유사
• 중단된 상태로 프로세스가 실행되려고 했지만, 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

종료 상태

• 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
• 종료 : 자연스럽게 종료도 있지만, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제 비자발적 종료(abort)도 있음
  -> 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나, 부모 프로세스가 종료되거나, 사용자가 process,kill 등 명령어로 프로세스 종료 시 발생

프로세스의 메모리 구조

• 운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데, 다음 구조 기반으로 할당
  

스택

• 지역변수, 매개변수, 함수가 저장
• 컴파일 시에 크기가 결정되며 동적인 특징을 갖음
• 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면 동적으로 크기가 늘 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안되기 때문에, 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓음

힙

• 동적 할당할 때 사용 되며, 런타임 시 크기 결정
• ex) 벡터 같은 동적 배열 -> 힙에 동적 할당
• 동적인 특징

데이터 영역

• 전역변수, 정적변수가 저장
• 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면, 사라지는 변수가 들어있는 영역
• BSS 영역과 Data 영역으로 나뉨
  • BSS 영역 : 초기화 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장
  • Data 영역 : 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장

코드 영역

• 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역
• 수정 불가능한 기계어로 저장
• 정적인 특징

PCB

• 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터
• 프로세스 제어 블록
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성
• 프로그램 실행 시, 프로세스가 생성되고 프로세소 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리 할당
  -> 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리
  -> 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에, 일반 사용자들이 접근하지 못하도록, 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리
  • 메타데이터 : 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터르 설명하는 작은 데이터.
    대량의 정보 가운데서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내 이용하기 위해, 일정한 규칙으로 콘텐츠에 부여되는 데이터

PCB의 구조

• 프로세스 스케줄링 상태 : 준비, 일시중단 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후나 이후 경과된 시간과 같은 기타 스케줄링 정보
• 프로세스 ID: 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 1/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
• 1/0 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/0 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭

• PCB를 교환하는 과정
• 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생
• 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 한 개 -> 컴퓨터가 많은 프로그램을 실행하고 있는 것 처럼 보이는 것은, 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문

• 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 앞의 그림처럼 유휴 시간 idle time)이 발생 -> 이뿐만 아니라 이 컨텍스트 스위칭에 드는 비용이 더 있음

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

• 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 발생
• 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에, 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸림