프로세스
프로세스는 실행중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다.
또한 프로세스는 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.
프로세스의 메모리 영역
- 컴파일시 크기가 고정되어있는 code,data,bss
- 메모리가 할당되었다가 반납되는 heap, stack
stack 영역
프로그램이 자동으로 사용하는 메모리 영역으로 함수 호출과 관계되는 지역변수와 매개변수가 저장된다. 함수 호출 시 생성되며, 함수가 끝나면 반환된다. stack 사이즈는 각 프로세스마다 할당되지만 프로세스가 메모리에 로드될 때 stack 사이즈가 고정되어 있어 런타임 시 stack 사이즈를 바꿀 수 없다. 명령 실행 시 자동으로 증가 또는 감소하기 때문에 보통 메모리의 마지막 번지를 지정한다.
heap 영역
필요에 의해 메모리를 동적으로 할당할 때 사용하는 메모리 영역으로 동적 메모리 영역이라고 부른다. C 에서 malloc() calloc() 등의 함수를 사용하여 메모리 크기를 할당할 수 있으며, 메모리 주소 값에 의해서만 참조되고 사용되는 영역이다.
- 위의 stack과 heap영역은 사실 같은 공간을 공유한다. heap이 메모리의 낮은 주소부터 할당되면 stack은 높은 주소부터 할당되는 식이다. 그래서 각 영역이 상대 공간을 침범하는 일이 발생할 수 있는데 이를 각각 stack overflow, heap overflow 라고 한다.
Data 영역 (BSS, GVAR)
프로그램이 실행될 때 생성되고 프로그램이 종료되면 시스템에 반환되며, 전역변수, 정적변수, 배열, 구조체 등이 저장된다. Data 영역은 다시 BSS 영역과 Data(GVAR) 영역으로 나누어지는데, 초기화된 데이터는 Data 영역에 저장되고, 초기화되지 않은 데이터는 BSS 영역에 저장된다.
- BSS영역, Data영역을 구분하는 이유?
- 초기화 된 데이터는 초기 값을 저장해야 하므로 Data 영역에 저장되어 rom에 저장된다. 하지만 초기화 되지 않은 데이터 까지 rom에 저장되면 큰 size의 rom이 필요하므로 구분한다. ( 초기화 되지 않은 데이터는 ram에 저장)
Text (Code) 영역
텍스트 영역은 실행 명령을 포함하는 코드들이 들어가는 부분이다.프로그램을 시작 할 때 컴파일한 프로그램(기계어)이 저장되어 있고, 읽기 전용 영역이기에 프로세스가 함부로 변경 할 수 없고 변경 시 오류를 발생시킨다.코드 자체를 구성하는 메모리 영역으로 Hex 파일이나 Bin 파일 메모리이다. 프로그램 명령이 위치하는 곳으로 기계어로 제어되는 메모리 영역이다.
프로세스 제어 블록(PCB)
PCB는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장 하고 있는 운영체제의 자료구조이다.
운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB 생성한다.
프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게 된다.
그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어 있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.
PCB의 구성
포인터
프로세스가 준비상태나 대기 상태일 경우에 큐로 운영이 되는데, 프로세스 제어 블록을 연결 시 큐로 구현하기 위해 포인터를 사용한다.
- 프로세스 식별자(Process ID, PID) : 프로세스 식별번호
- 프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장
- 프로그램 카운터 : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
- CPU 레지스터
- CPU 스케쥴링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
- 메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
- 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
- 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등
다시 정리해보면?
프로그램 실행 → 프로세스 생성 → 프로세스 주소 공간에 (코드, 데이터, 스택) 생성 → 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장
PCB가 왜 필요한가요?
CPU에서는 프로세스의 상태에 따라 교체작업이 이루어진다. (interrupt가 발생해서 할당받은 프로세스가 wating 상태가 되고 다른 프로세스를 running으로 바꿔 올릴 때)
이때, 앞으로 다시 수행할 대기 중인 프로세스에 관한 저장 값을 PCB에 저장해두는 것이다.
PCB는 어떻게 관리되나요?
Linked List 방식으로 관리된다.
PCB List Head에 PCB들이 생성될 때마다 붙게 된다. 주소값으로 연결이 이루어져 있는 연결리스트이기 때문에 삽입 삭제가 용이하다.
즉, 프로세스가 생성되면 해당 PCB가 생성되고 프로세스 완료시 제거된다.
이렇게 수행 중인 프로세스를 변경할 때, CPU의 레지스터 정보가 변경되는 것을 Context Switching이라고 한다
스레드(Tread)
스레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있다.
한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수도 있다.
스레드는 스레드ID,프로그램 카운터, 레지스터 집합,그리고 스택으로 구성된다.
같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드,데이터 섹션,열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다.
하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다.
이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 떄문에 각자의 스택과 PC레지스터 값을 갖고 있다.
스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해
사용되는 메모리 공간이므로 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고.
이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다.
따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.
PC Resister를 쓰레드마다 독립적으로 할당하는 이유
- PC 값은 쓰레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다.
- 쓰레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다.그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다.
- 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.
쓰레드(Thread)의 장점
- 쓰레드는 프로세스보다 생성 및 종료시간, 쓰레드간 전환시간이 짧다.
- 쓰레드는 프로세스의 메모리, 자원등을 공유하므로 커널의 도움없이 상호간에 통신이 가능하다.
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