프로세스

• 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
• CPU스케줄링의 대상이 되는 작업
  

프로세스와 컴파일 과정

• 프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화된 것

ex) 프로그램은 구글 크롬 프로그램 같은 '실행파일', 이를 두번 클릭하면 구글 크롬 '프로세스'가 시작

프로그램의 컴파일 과정

전처리

• 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환

컴파일러

• 오류처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

어셈블러

• 어셈블리어는 목적(object) 코드로 변환
• 확장자는 운영체제마다 다르지만, 리눅스는 .o (파일명.c -> 파일명.o)

링커

• 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일 생성
• 실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out이라는 확장자를 갖는다

정적 라이브러리 & 동적 라이브러리

정적라이브러리

• 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
• 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점

동적라이브러리

• 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식
• 메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높다는 단점

프로세스의 상태

• 프로세스의 상태는 여러가지의 상태 값을 가진다
  

생성 상태(create)

• 프로세스가 생성된 상태 의미
• fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성. 이때 PCB 생성

fork()

• 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사
• 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
• 주소 공간만 복사할 뿐, 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다

exec()

• 새롭게 프로세스를 생성하는 함수

대기 상태(ready)

• 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권 넘어오기를 기다리는 상태

대기 중단 상태(ready suspended)

• 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

실행 상태(running)

• CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미

중단 상태(blocked)

• 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
• I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 인해 이러한 현상이 많이 발생

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
• 자연스럽게 종료되는 것과 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제로 비자발적인 종료시키는 것이 존재

프로세스의 메모리 구조

• 운영체제는 프로세스에 적적한 메모리를 할당
• 스택은 위 주소부터 할당
• 힙은 아래 주소부터 할당
  

스택

• 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정
• '동적'인 특징을 갖는다

스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓는다.

힙

• '동적' 할당할때 사용
• 런타임 시 크기가 결정(ex. 벡터 같은 동적 배열은 힙에 동적 할당)

데이터 영역

• 전역변수, 정적변수가 저장
• '정적'인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역
• BSS 영역과 Data 영역으로 나뉜다.
  -> BSS: 초기화 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장
  -> Data: 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장

코드 영역

• 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역
• 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 '정적'인 특징

PCB(Process Control Block)

• 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 의미(= 프로세스 제어 블록)
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성
• 프로세스의 중요한 정보(메타데이터)를 포함 -> 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리

프로그램 실행 -> 프로세스 생성 -> 프로세스 값들에 메모리(스택,힙 등) 할당 -> 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리

잠깐) 메타데이터

• '데이터의 데이터'
• 데이터에 관한 구조화된 데이터
• 데이터를 설명하는 작은 데이터
• 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위한 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터

PCB의 구조

• 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID등의 정보로 이루어진다

프로세스 스케줄링 상태

• '준비', '일시중단' 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후 또는 이후 경과된 시간과 같은 기타 스케줄링 정보

프로세스 ID

• 프로세스ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID

프로세스 권한

• 프로세스에서 실행하기 위해 저장해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터

프로그램 카운터

• 프로세스에서 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보

CPU 레지스터

• 프로세스를 실행하기 위해 저장해야할 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

• PCB를 교환하는 과정

(멀티코어가 아닌 싱글코어 기준으로 설명)
컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행하는 프로세스는 단 한개이다. 그렇다면 프로세스가 동시 구동되는 것처럼 보이는 이유는?
-> 다른 프로세스와의 스위치이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문

비용 : 캐시미스

• 컨텍스트 스위칭이 일어나면 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 발생
  -> 캐시클리어 -> 캐시미스 발생
  (새로운 프로세스에 맞게 새로운 캐시가 존재하기 위해 캐시클리어 발생)

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

• 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 발생
• 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유
  -> 스레드 컨텍스트 스위칭은 비용이 적고 시간이 적게 걸린다

멀티프로세싱

• 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
• 하나 이상의 일을 병렬로 처리 가능
• 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생하면 다른 프로세스를 이용하여 처리 가능 -> 신뢰성 높다는 장점

웹 브라우저

• 웹 브라우저는 멀티프로세스 구조

브라우저 프로세스

• 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당
• 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담담

렌더러 프로세스

• 웹 사이트가 '보이는' 부분의 모든 것을 제어

플러그인 프로세스

• 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어

GPU 프로세스

• GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

IPC(Inter Process Communication)

• 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻
  -> 클라이언트가 데이터 요청, 서버가 요청에 응답하는 것도 IPC의 예
• 멀티프로세스는 IPC가 가능
• 종류에는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 존재
• 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다 속도가 떨어진다

공유 메모리

• 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것
  

• 기본적으로 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없다
  -> 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유 가능

• 데이터를 주고받는 것이 아니기 때문에 불필요한 데이터복사의 오버헤드 발생X -> 속도 빠름
• 여러 프로세스가 같은 메모리 영역 공유 -> 동기화 필요

파일

• 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터
• 이를 기반으로 프로세스 간 통신이 이루어진다

소켓

• 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미
• TCP, UDP

익명 파이프(unamed pipe)

• 프로세스간 FIFO방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터 교류
• 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어 작동하는 방식
• 부모, 자식 프로세스 간에만 사용 가능
  

명명된 파이프(named pipe)

• 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위해 명명된 단방향 또는 이중 파이프
• 여러 파이프 동시 사용 가능
• 컴퓨터 프로세스끼리, 다른 네트워크상의 컴퓨터끼리 통신 가능

메시지 큐

• 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것
• 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리
• 다른 IPC 방식에 비해 매우 직관적이고 간단
• 다른 코드의 수정 없이 단지 몇줄의 코드 추가로 큐에 접근 가능하다는 장점
• 공유 메모리를 통한 IPC 구현에서 쓰기 및 읽기 빈도가 높아 동기화로 인해 기능구현 복잡
  -> 이때 대안으로 메시지 큐 사용