[운영체제] 프로세스와 스레드(1)

변진상·2024년 2월 19일

스레드 프로세스 프로세스 상태 프로세스와 컴파일 과정 프로세스의 메모리 구조

학습 기록

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이 글은 면접을 위한 CS 전공지식노트의 책을 읽고 학습 후 스터디 공유를 위한 글입니다.

프로세스 스레드

프로세스: 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램. CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)랑 같은 의미로 쓰인다.
스레드: 프로세스 내 작업의 흐름
프로그램이 주기억 장치에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어난다.
이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.

프로세스와 컴파일 과정

프로세스 === 프로그램으로부터 인스턴스화 된 것.

(책에서 C언어 기반의 프로그램을 기준으로 설명함.)

단계 설명
1. 전처리: 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.
2. 컴파일러: 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환
3. 어셈블러: 어셈블리어는 목적코드(objext code)로 변환된다. (확장자는 운영체제마다 다른데 리눅스는 .o확장자를 가진다.)
4. 링커: 프로그램 내 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드들을 결합하여 실행하는 파일을 만든다. (확장자: .exe, .out)

정적 라이브러리 vs. 동적 라이브러리

정적 라이브러리: 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
- 장점: 시스템 환경 등 외부 의존도 낮다.

단점: 코드 중복, 메모리 효율성이 떨어짐.

동적 리이브러리: 프로그램 실행시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식
- 장점: 메모리를 효율적으로 사용

단점: 외부 의존도가 높아진다.

프로세스 상태

생성 상태(create)

프로세스가 생성된 상태를 의미. fork(), exec() 함수를 통해 생성. 이때 PCB 할당

fork(): 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수. 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.
exec(): 새로운 프로세스 생성 함수

대기 상태(ready)

메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기 하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태

대기 중단 상태(ready suspended)

메모리 부족으로 일시 중단된 상태

실행 상태(running)

CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태
CPU burst가 일어났다고도 표현

중단 상태(blocked)

어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 한다.

일시 중단 상태(blocked suspended)

대기 중단과 유사하다.
중단된 상태에서 프로세스가 싫행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태.

종료 상태(terminted)

메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
자연스러운 종료도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제로 종료하는 비자발적 종료(abort)도 있다.
자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘거나, 부모 프로세스가 종료되거나, 사용자가 process.kill 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생

프로세스의 메모리 구조

스택

지역변수, 매개변수, 함수 저장
컴파일 시 크기 결정.
동적인 특징을 갖는다.
함수가 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 스택이 힙의 영역을 침범하면 안되기 때문에 두 공간 사이를 비워둔다.

힙

동적 할당할 때 사용.
런타임 시 크기가 결정.
벡터 같은 동적 배열의 경우 힙에 동적 할당된다.

데이터 영역

전역변수, 정적변수 저장
프로그램 종료 시 사라지는 변수가 들어 있는 변수가 들어있다.
BSS영역(BSS Segment)과 Data(Data Segment)로 나뉘어 있다.
- BSS 영역: 초기화 되지 않은 변수를 0으로 초기화 해 저장
- Data 영역: 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장

코드 영역

프로그램에 내장되어 있는 소스 코드 저장
수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 갖는다.

동적 영역 vs. 정적 영역

프로그램을 실행하며 그 내용이 달라지는가 여부로 구분해야한다.

변수 동적할당과 같은 개념과는 분리해 생각해야한다.

PCB의 구조

프로세스 스케줄링 상태: ‘준비’, ‘일시중단’ 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후 또는 이후 경과된 시간과 같은 기타 스케줄링 정보
프로세스 ID: PID, 자식 프로세스 ID
프로세스 권한: I/O 디바이스에 대한 권한 정보
프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야할 다음 명령어의 주소(포인터)
CPU 레지스터: 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간등에 대한 정보
계정 정보: 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭

앞서 설명한 PCB를 교환하는 과정
프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.
컴퓨터가 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것으로 보이지만 어떤 시점에 실행되고 있는 프로세스는 하나이다. → 컨텍스트 스위칭을 통해 여러 프로세스가 실행되는 것처럼 보인다.(싱글코어 기준)