---

프로세스의 메모리 구조

스택, 힙, 데이터영역, 코드영역으로 나뉘어진다.

스택과 힙

스택과 힙은 동적 할당이 되며, 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것을 말한다. 스택은 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리영역이다.(프로그램 실행중에 필요에 따라 메모리를 할당함)
함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속 저장됨.
또한 재귀함수가 호출된다고 하면 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않는다.
힙은 동적으로 할당되는 변수를 답는다. 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 힙영역을 사용.

데이터영역과 코드영역

정적할당되는 영역이다. 정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말한다. 데이터 영역은 BBS segment와 Data degment, code/text segment로 나뉘어서 저장된다.

• BBS segment
  전역변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당

• Data segment
  전역변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화 된 변수가 이 메모리영역에 할당

• code segment
  프로그램의 코드가 들어간다.

PCB

Process Control Block . 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말한다. 프로세스 제어 블록이라고도 한다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다. 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞어 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다.
이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 중요정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

PCB의 구조

• 프로세스 스케줄링 상태 : 준비, 일시중단 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
• 프로세스 ID : 프로세스ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한 : 컴퓨터 자원 또는 I/O디바이스에 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 : CPU스케줄러에 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

PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정.
한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것 처럼 보이는것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문.
현대 컴퓨터는 멀티코어CPU를 갖기 때문에 한 시점에 한개의 프로그램이라는 설명은 조금 틀린 설명이다. 하지만 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어 기준으로 설명한다.

비용: 캐시미스

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

스레드에서도 컨텍스트 스위칭이 일어나는데, 스택영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.

멀티프로세싱

멀티프로세싱은 여러개의 프로세스, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는것을 말한다. 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생하더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다. 참고로 멀티프로세싱은 하드웨어 관점에서 봤을 때 여러 개의 프로세서로 작업을 처리하는 것을 의미하기도 한다.
웹 브라우저를 예시로 소프트웨어 관점에서 멀티프로세싱을 이해해보자.

웹 브라우저

웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있다.

• 브라우저 프로세스 : 주소표시줄, 북마크막대, 뒤로가기버튼, 등 네트워크 요청이나 파일 접근같은 권한을 담당
• 렌더러 프로세스 : 웹사이트가 보이는 부분의 모든것을 제어
• 플러그인 프로세스 : 웹사이트에서 사용하는 플러그인을 제어
• GPU 프로세스 : GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

IPC

멀티프로세스는 Inter Process Communication가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다.
클라이언트와 서버를 예로 들 수 있는데, 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것도 IPC의 예이다.
IPC의 종류로는 공유메모리, 파일, 소켓, 익명파이프, 명명파이프, 메시지 큐가 있다.
모두 메모리가 완전 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

공유 메모리

공유메모리는 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는것을 말한다.
기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다. IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르며 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.
하드웨어 관점에서 공유메모리는 RAM을 가리키기도 한다.

파일

파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공된 데이터. 이를 기반으로 프로세스 통신함.

소켓

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터. TCP와 UDP가 있따.

익명 파이프

프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식

부모 자식 프로세스간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크상에서는 사용이 불가

명명된 파이프

파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프를 말한다.클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.

그림처럼 보통 서버용 파이프와 클라이언트 파이프로 구분해서 작동하며 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스 기반으로 통신한다.

메시지 큐

큐 데이터 구조 형태로 관리하는것을 의미한다. 이는 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며, 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다.
공유메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이 때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.