[CS/운영체제] 프로세스

• 프로세스 : 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(Task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다.
• 스레드 : 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭

위의 그림처럼 프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.

 

1. 프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 말한다. 예를 들어 프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)과 같은 실행 파일이며, 이를 두 번 클릭하면 구글 크롬 프로세스로 변환되는 것이다.

 

프로그램을 만드는 과정은 만드는 언어마다 다를 수 있으며 컴파일 언어인 C 언어 기반의 프로그램을 기준으로 설명하면 컴파일러가 컴파일 과정을 통해 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만들게 된다. 컴파일 과정은 아래와 같다.

전처리

소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등의 헤더 파일을 병합해 매크로를 치환한다.

컴파일러

오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다.

어셈블러

어셈블리어는 어셈블러를 통해 목적 코드(object code)로 변환된다. 이때 확장자는 운영체제마다 다른데 리눅스에서는 .o이다. 예를 들어 가영.c라는 파일을 만들었을 때 가영.o라는 파일이 만들어지게 된다.

링커

프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합해 실행 파일을 만든다. 이때 실행파일의 확장자는 .exe 또는 .out이라는 확장자를 갖는다.

어셈블리어란?
어셈블리어란 기계어와 일대일 대응이 되는 프로그래밍의 저급 언어이다. 전류가 흐른다와 흐르지 않는다로 구성되는 0, 1의 2진수로 프로그램을 하는 기계어는 인간의 관점에서는 컴퓨터가 바로 읽을 수 있다는 점만 빼면 장점이 없는 언어이기 때문에 이를 보완하기 위해 나온 언어가 어셈블리어다. 

 

2. 프로세스의 종류

(1) 포그라운드 프로세스

사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스

(2) 백그라운드 프로세스

사용자가 볼 수 없는 공간에서 실행되는 프로세스

백그라운드 프로세스의 종류

1) 사용자와 직접 상호작용이 가능한 백그라운드 프로세스

2) 사용자와 상호작용하지 않고 그저 정해진 일만 수행하는 프로세스 -> 데몬(daemon), 서비스(service)라고도 함

 

3. 프로세스의 상태

(1) 생성 상태(Created State)

생성 상태는 프로세스가 생성되어, 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태를 말한다. fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다.

1) fork()

fork()는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. 이 때, 부모 프로세스의 주소 공간 내의 메모리를 자식 프로세스가 할당될 주소 공간에 복사함에 따라 별도의 주소 공간을 가지게 된다. 이로 인해 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.

2) exec()

exec()는 새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

📚 프로세스 계층 구조

- 프로세스 실행 도중 시스템콜을 통해 다른 프로세스 생성이 가능하다.
- 새 프로세스를 생성한 프로세스 : 부모 프로세스
- 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스 : 자식 프로세스

부모 프로세스와 자식 프로세스는 각기 다른 PID를 가진다.
일부 운영체제에서는 자식 프로세스 PCB에 부모 프로세스의 PID(PPID)를 명시하기도 한다.

📚 프로세스 생성 기법 -> 부모는 자식 프로세스를 어떻게 만들어내고, 자식 프로세스는 어떻게 자신만의 코드를 실행할까?

- 부모 프로세스는 fork() 시스템 콜을 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성
- 자식 프로세스는 exec() 시스템 콜을 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체 

1. fork 시스템콜
: 복사본(=자식 프로세스) 생성
: 부모 프로세스의 자원 상속
   -> 완전한 복사본이 만들어지긴 하지만 엄연히 별개의 프로세스이므로 PID나 저장되어 있는 메모리의 위치는 다르다.

이 상태에서 부모 프로세스와 자식 프로세스를 실행시킨다면 똑같은 일을 하게 될 것.
이 때 자식 프로세스가 exec 시스템콜을 할 수 있다.

2. exec 시스템콜
: 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰기
: 코드/데이터 영역은 실행할 프로그램으로 바뀌고 나머지 영역은 초기화

 

(2) 준비 상태(Ready State)

준비 상태는 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다. CPU 소유권이 넘어와 실행 상태로 넘어가는 것을 디스패치라고도 한다.

 

(3) 실행 상태(Running State)

실행 상태는 CPU 소유권을 할당받아 실행중인 상태를 의미한다.

할당된 시간을 모두 사용할 시 타이머 인터럽트가 발생함에 따라 준비 상태로 이동한다.

또한 실행 도중 입출력 장치를 사용하는 경우 입출력 작업이 끝날 때까지 대기 상태로 이동한다. 

(5) 대기 상태(Blocked State)

대기 상태는 프로세스가 실행 도중 입출력장치를 사용하는 경우를 의미한다.

입출력 작업은 CPU에 비해 느리기 때문에 이 경우 대기 상태로 접어든다

입출력 작업이 끝나면 입출력 완료 인터럽트가 발생함에 따라 준비 상태로 이동한다.

 

(6) 종료 상태(Terminated State)

종료 상태는 프로세스가 종료됨에 따라 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다. 이 때 프로세스가 차지하고 있던 메모리 영역을 정리하고 할당받은 PCB를 폐기하게 된다.

 

4. PCB

모든 프로세스는 실행을 위해 CPU가 필요하다. 하지만 CPU는 한정되어 있기 때문에, 프로세스들은 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU를 사용하게 된다. 이 때 프로세스들은 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU를 이용하며, 타이머 인터럽트가 발생하면 차례를 양보하게 된다. 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스들을 관리해야 할 필요가 있는데 이를 위해 사용하는 자료 구조가 PCB(프로세스 제어 플록)이다.

 

 

PCB(process Control Block)은 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다. 프로제스 제어 블록이라고도 한다.

 

PCB는 프로세스 생성 시 커널 영역에 생성되며 종료 시 폐기되게 된다.

 

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스의 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

 

메타데이터 : 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터. 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터이다.

 

(1) PCB에 담기는 정보

• 프로세스 상태 : '준비', '일시중단' 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
• 프로세스 ID(=PID) : 프로세스 ID와 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한 : 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터 : 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
• 레지스터 값 : 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보(프로세스는 자신의 실행 차례가 오면 이전까지 사용한 레지스터 중간 값을 모두 복원 -> 실행 재개)
• CPU 스케줄링 정보 : CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보(프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보)
• 계정 정보 : 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• I/O 상태 정보 : 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록
• 메모리 정보 : 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보

(2) 컨텍스트 스위칭(=문맥 교환)

컨텍스트 스위칭은 PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정을 말한다. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 싱글 코어 CPU의 경우 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 매우 빠른 속도로 실행되기 때문이다.

비용

1) 유휴 시간(idle time)

위의 그림처럼 프로세스 A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행한다. 그리고 다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A를 로드하여 실행한다. 이처럼 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 위의 그림처럼 유휴 시간이 발생하는 것을 볼 수 있다.

 

2) 캐시미스

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때 캐시미스가 발생한다.

 

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어난다. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.

 

이처럼 운영체제의 운영체제는 커널 영역에 적재된 PCB를 보고 프로세스를 관리한다. 그렇다면 프로세스가 사용자 영역에는 어떤 식으로 저장이 될까?

5. 프로세스의 메모리 구조

사용자 영역에는 프로세스는 특정 영역을 나누어 저장하게 된다.

 

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.

(1) 스택과 힙

스택과 힙은 동적 할당이 되며, 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것을 말한다.

 

1) 스택 영역

스택은 데이터가 일시적으로 저장되는 공간이며, 데이터 영역에 담기는 값과는 달리 잠깐 쓰다가 말 값들이 저장되는 공간이다. 그렇기 때문에 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역이다. 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장된다. 또한, 재귀 함수가 호출된다고 했을 때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않는다.

 

2) 힙 영역

힙 영역은 프로그램을 만드는 사용자, 즉 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장공간이며 동적으로 할당되는 변수들을 담는다. malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있으며, 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우 힙 영역을 사용한다. 

가비지 컬렉션(Garbage Collection) : 프로그래밍을 하는 과정에서 힙 영역에 메모리 공간을 할당했다면 언젠가는 힙 영역에 할당한 메모리 공간을 반환해야 한다. 이것을 프로그래밍 언어가 알아서 반환해 주는 경우를 가비지 컬렉션이라 한다.

메모리 누수(Memory Leak) : 일부 프로그래밍 언어의 경우는 가비지 컬렉션 기능이 없기 때문에 일일이 메모리를 반환하는 과정을 거쳐야 한다. 그렇지 않다면 할당한 힙 영역의 공간은 계속해서 메모리 공간을 차지하게 되면서 메모리의 낭비를 초래하게 되는데 이것을 메모리 누수라 한다.

 

3) 스택 오버플로우 / 힙 오버플로우

일반적으로 힙 영역은 낮은 주소 -> 높은 주소로 할당된다.

일반적으로 스택 영역은 높은 주소 -> 낮은 주소로 할당된다.

 

-> 힙 영역과 스택 영역은 같은 공간을 공유하기 때문에 각 영역이 상대 공간을 침범하는 일이 발생되기도 하는데 이를 각각 힙 오버플로우, 스택 오버플로우라고 한다.

 

(2) 데이터 영역과 코드 영역

데이터 영역과 코드 영역은 정적 할당이 되며, 정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말한다.

코드, 데이터 영역은 크기가 변하지 않는다는 점에서 정적 할당 영역이라고 부른다. 가령 프로그램이 실행되다 명령어가 갑자기 바뀔 일은이 없고, 데이터 영역은 말 그대로 프로그램이 실행되는 내내 유지될 데이터이므로 바뀔 일이 없기 때문이다. 

1) 데이터 영역

데이터 영역은 잠깐 썼다가 없앨 데이터가 아닌 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되며, BSS segment와 Data segment로 나뉘어 저장된다.

 

BSS segment는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당된다.

 

Data segment는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당된다.

 

2) 코드 영역

코드 영역은 실행할 수 있는 코드, 기계어로 이루어진 명령어가 저장된다. 해당 영역은 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담기기에 쓰기가 금지된 영역이다.(read-only)