프로세스와 스레드, 주소공간에 대한 이야기

JISU LIM·2023년 9월 30일

OS tech-interview

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🔴 프로세스가 무엇인가요?

프로세스 란 실행을 위해 커널에 등록된 작업, 프로그램을 의미합니다.
다음과 같이 정의할 수도 있습니다.
- PCB를 할당 받은 프로그램
- 각종 자원들을 요청하고 할당 받을 수 있는 능동적인 개체(Active Entity)

프로그램 vs 프로세스 vs 스레드

프로그램(Program) / 작업(Job)
- 저장 장치에 저장되어 있는 실행할 프로그램 + 데이터를 의미합니다.
프로세스(Process)
- 실행을 위해 시스템(커널)에 등록된 작업을 의미합니다.
- 프로세스는 시스템 성능 향상을 위해 커널에 의해 관리 됩니다.
스레드(Thread)
- 스레드는 프로세스의 제어의 흐름을 의미하며 Light Weight Process(LWP)라고도 불립니다.
- 프로세스 내에서 각 스레드는 제어 요소를 제외한 코드 영역, 전역 데이터, 힙 영역을 공유합니다.

PCB(Process Control Block)

PCB는 프로세스를 실행하는 데 필요한 정보를 보관하는 자료구조로, 메모리의 커널 영역(kernal space)에 생성됩니다.
OS는 PCB를 바탕으로 프로세스에 관리를 수행합니다.
모든 프로세스는 고유의 PCB를 가지며, 프로세스 생성시 만들어지고 프로세스 종료시 폐기됩니다.
PCB는 아래와 같은 정보를 가집니다.
- 포인터 : 프로세스 제어 블록을 연결해 준비 상태나 대기 상태의 큐를 구현할 때 사용합니다.
- 프로세스 상태 : 생성, 준비, 실행, 대기, 보류 준비, 보류 대기 등으로 프로세스가 현재 어떤 상태에 있는지를 나타냅니다.
- 프로세스 구분자 : 운영체제 내에 있는 여러 프로세스를 구별하기 위한 구분자를 저장합니다.
- 프로그램 카운터 : 다음에 실행될 명령어의 위치를 가리키는 프로그램 카운터의 값을 저장합니다.
- 프로세스 우선순위 : 프로세스의 우선순위(중요도)로 CPU 스케줄러가 준비 상태에 있는 프로세스 중 실행 상태로 옮겨야 할 프로세스를 선택할 때 이 프로세스 우선순위를 기준으로 삼습니다.
- 각종 레지스터 정보 : 다음에 실행할 때 사용하기 위해 이전에 실행할 때 사용한 레지스터의 중간값을 보관합니다.
- 메모리 관리 정보 : 프로세스의 메모리 위치 정보, 메모리 보호를 위한 경계 레지스터 값과 한계 레지스터 값 등이 저장됩니다.
- 할당된 자원 정보 : 프로세스를 실행하기 위해 사용하는 입출력 자원이나 오픈 파일 등에 대한 정보가 저장됩니다.
- 계정 정보 : 계정 번호, CPU 할당 시간, CPU 사용 시간 등에 대한 정보가 저장됩니다.
- 부모 프로세스 구분자와 자식 프로세스 구분자 : PPID(Parent PID), CPID(Child PID)

TCB(Thread Controal Block)

PCB가 주로 프로세스 수준의 정보를 관리하는 데 사용된다면, TCB는 스레드 수준의 정보를 관리하는 데 사용됩니다.
TCB는 스레드의 상태, 레지스터 값, 스레드 고유 식별자, 스레드의 스케줄링 정보 등을 포함합니다.
여러 스레드가 하나의 프로세스 내에서 실행될 때, 각 스레드마다 하나의 TCB가 생성되며, 스레드의 독립적인 관리와 스케줄링을 위한 정보를 담고 있습니다.

좀비 프로세스

좀비 프로세스는 자식 프로세스가 상태를 알리지 않고 죽거나 먼저 죽는 경우이며, 좀비 프로세스 발생이 누적되면 전반적인 성능 저하를 일으킵니다.
좀비 프로세스의 처리를 위해 자식 프로세스가 죽는 경우, 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료 상태를 회수할 수 있도록 커널이 자식 프로세스의 최소한의 정보를 남겨둡니다.
- 이 때, 부모 프로세스는 wait 함수를 호출하여 이 상태를 회수할 수 있습니다. wait함수는 자식 프로세스의 종료 상태를 확인하고 해당 상태를 처리합니다.

고아 프로세스

고아 프로세스는 부모 프로세스가 먼저 죽는 경우이며, 운영체제는 이러한 고아 프로세스를 허용하지 않습니다.
이를 위해 부모 프로세스가 먼저 종료되면, 자식 프로세스의 새로운 부모 프로세스로 init(PID=1) 프로세스가 설정됩니다.
init(PID=1) 프로세스는 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다린 후 wait 함수를 호출하여 고아 프로세스의 종료 상태를 회수하는 방법으로 고아 프로세스를 방지합니다.

데몬 프로세스

데몬 프로세스란 운영체제에서 부팅시 자동으로 켜져 백그라운드에서 계속 실행되는 프로세스를 의미합니다.
주로 서비스 제공, 특정 작업의 스케줄링, 네트워크 서비스 관리, 파일 시스템 관리 등과 같은 백그라운드 작업을 수행합니다.
- ex) inetd, syslogd, crond, httpd 등

🟡 프로세스 주소 공간

프로세스 주소 공간(Process Address Space)은 컴퓨터가 실행 중인 각 프로세스가 메모리에서 사용하는 공간을 의미합니다.
하나의 프로세스는 메모리의 사용자 영역에 크게 코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역으로 나뉘어 저장됩니다.
- 코드(Code) 영역
  - 실행할 수 있는 코드(기계어)로 이루어진 명령어가 저장되며, text 영역이라고도 합니다.
  - 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담겨 있기 때문에 쓰기가 금지되어 있습니다.(읽기 전용 공간)
- 데이터(Data) 영역
  - 전역변수와 같이 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간입니다.
  - 코드 영역과 데이터 영역은 코기가 고정된 영역이라는 점에서 정적 할당 영역이라고도 부릅니다.
- 힙(Heap) 영역
  - 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간입니다.
  - 프로그래밍 과정에서 힙 영역 메모리 공간을 할당했다면 언젠가는 해당 공간을 반환해야 합니다.
  - 힙 영역은 실시간으로 그 크기가 변할 수 있기 때문에 동적 할당 영역이라고 부릅니다.
- 스택(Stack) 영역
  - 매개 변수, 지역 변수 등 함수의 실행이 끝나면 사라지는 변수 등이 저장됩니다.

초기화 하지 않은 변수들이 저장되는 곳 : BSS 영역

변수를 선언만 하고 초기화하지 않은 변수들은 데이터 영역(Data Segment)의 일부인 BSS(Block Started by Symbol) 섹션에 저장됩니다.
이 섹션은 프로세스의 메모리 공간에서 초기화 되지 않은 전역 변수, 배열, 정적 변수 등을 저장하는데 사용됩니다.
초기화 하지 않은 변수를 따로 구분하는 이유는 해당 변수들에는 값을 할당하지 않아도 되는 변수를 모아둠으로서 조금의 메모리 효율성을 확보하기 위함이라고 합니다. 다만 큰 차이는 없다고 합니다.

스택 영역과 힙 영역

크기가 결정되는 시점
- 스택 영역은 함수의 호출과 관계있는 지역 변수와 매개 변수가 저장되는 영역으로 컴파일 시간에 크기가 결정됩니다.
- 힙 영역은 런타임에 동적으로 크기가 결정되는 메모리 영역입니다.
접근 속도
- 스택 영역은 CPU에 의해 효율적으로 관리되고, 메모리 단편화가 적게 일어나기 때문에 접근이 매우 빠릅니다. 또한, 스택에는 상대적으로 짧은 주기로 데이터가 추가 및 제거되므로 캐시 히트 확률이 높아 접근 속도가 빠릅니다.
- 힙 영역은 동적으로 할당되고 해제되는 데이터의 저장 공간입니다. 힙은 메모리 관리자가 메모리 할당 및 해제를 담당하며, 할당된 메모리의 위치가 동적으로 결정됩니다. 이로 인해 힙 영역에 접근하려면 메모리 관리자를 통해 할당된 메모리의 주소를 찾아가야 하므로 접근 속도가 느립니다.
각각 자료구조 Stack, Heap과 관련이 있을까?
- 스택 영역의 동작은 LIFO(Last In First Out) 원칙에 따라 메모리의 함수 호출과 관련된 변수, 함수 호출 정보, 복귀 주소 등을 입출력하는 측면에서 자료구조의 Stack과 연관이 있습니다.
- 힙 영역의 동작은 프로그램의 실행 중에 사용자에 의해 동적으로 할당되고 해제되는 방식으로 객체를 관리하는 특징이 있습니다. 자료구조의 Heap과는 연관이 없습니다.