Process

프로세스란 컴퓨터에서 실행중인 프로그램을 말한다. 조금 더 자세히 말하면, 운영체제에 의해 관리되며 자원을 할당받아 독립적으로 실행이 가능한 프로그램의 단위이다.

프로그램이란 보조기억장치 (하드디스크나 SSD)에 저장되어 실행을 기다리는 명령어와 데이터의 집합을 의미하고, 프로세스는 프로그램이 메모리에 저장되어 실행중인 프로그램을 의미한다.

우리가 어떤 프로그램을 실행하게 되면, 프로그램이 작성된 코드를 컴퓨터가 읽을수 있는 저급언어 형태로 변환하여 .exe 확장자로 된 실행파일을 생성한다. 이 파일은 실행되면 메모리상에 올라가게 되는데 이것을 프로세스라고 한다.

메모리에 저장된 프로세스는 크게 4가지의 공간(영역)으로 이루어져있다.

Process 영역

Code 영역 (Text)

개발자가 작성한 소스코드가 저장되는 공간이다. 컴파일 후 기계어로 번역되어 저급언어 (0,1) 의 형태로 저장된다.

Data 영역 (Data)

코드 영역에서 선언된 전역/정적 변수, 상수 등 프로그램이 실행되는 필요한 데이터들이 저장된다.

Heap 영역

코드영역에서 선언된 데이터 구조, 객체 등 동적할당(C - malloc)을 저장하기 위한 영역이다. 예를 들자면, 배열 생성시 배열에 데이터가 추가됨에 따라 유동적으로 저장공간을 증가시킬수 있는 영역이다. 다른 영역 들과 달리 런 타임 시 크기가 결정된다. (다른 영역 들은 컴파일 시 크기가 결정된다.) 아래에서 살펴볼 스택 영역보다 크기가 크지만, 포인터로 메모리에 접근해야 하기 때문에 속도가 느리다.

정리 하자면, 프로세스가 실행중 동적으로 메모리를 할당/해제 하는데 사용된다.

유의사항으로 메모리를 할당후 해제하지 않으면 메모리 누수 (Memory Leak)가 일어나기 때문에 반드시 해제를 해주어야 한다.

이 과정을 자동으로 실행해주는 Garbage Collector 라는 기능을 지원하는 언어들도 있다 (자바, 파이썬 등)

Stack 영역

지역변수, 매개변수, 리턴 값 등 임시적으로 사용 되는 데이터들을 저장하는 영역이다.

이름처럼 Stack 자료구조의 형태 (LIFO) 를 가지고 있으며, 프로세스 마다 독립적인 영역을 가지고있다. 저장해야 할 변수의 양이 너무 많아 영역을 초과하게 되면 생기는 에러가 바로 stack overflow 에러이다.

Process 관리

사실 CPU는 한번에 하나의 프로세스만 실행이 가능하지만, 운영체제가 프로세스를 관리하며 매우 빠른속도로 프로세스를 교체하기 때문에 사용자에게는 여러 프로세스를 동시에 실행하는 것처럼 보인다.

그렇다면 이 프로세스를 어떻게 관리하는 것인지 살펴보자.

운영체제는 프로세스의 상태를 준비, 실행, 블록(대기) 3가지의 상태로 구분하고 각 단계간의 상태 전이를 활용하여 관리한다.

먼저 프로그램 실행시, 프로세스가 생성 되며, 준비 리스트에 프로세스가 추가되고 CPU 를 할당받게 된다. 이 과정을 바로 Dispatching 이라고 부르며 준비 ➡️ 실행 으로 상태 전이 된다 고 표현한다.

실행상태에서 CPU 를 사용한 후, CPU 를 할당해제 하며 아직 작업이 끝나지 않았다면 다시 준비상태로 전이 된다.

만약 해당 프로세스를 다시 사용하기 전에 어떤 입출력이 필요한 상태라면, 입출력이 완료될때까지 블록(대기상태) 로 전이 되고, 이후 입출력이 종료되면 준비상태로 전이 된다.

그런데 프로세스 마다 다 같은 상태를 가지고 있지 않을것이다. 어떤 프로세스는 대기상태, 어떤 프로세스는 블록 상태 등 여러 상태를 가지고 있을 텐데 이것들을 어디에 저장 하는지 의문이 생긴다.

운영체제는 프로세스 들을 제어하기 위해 PCB 라는 곳에 프로세스의 상태 및 정보를 저장한다.

PCB (Process Control Block)

프로세스 생성시에 만들어지며, 위에서 살펴본 프로세스의 상태 및 영역 등의 데이터가 PCB 에 저장된다.

우리가 어떤 프로세스를 실행중, 잠시 다른 프로세스를 실행해야 한다면, 이전 프로세스의 상태를 포함한 여러 정보들을 저장해야한다.

따라서 PCB 에는

• 프로세스 아이디

• 프로세스의 상태

• 우선순위, 실행시간, CPU 점유시간

• 프로세스 주소공간

...

등 의 여러 데이터들을 저장 한다.

이때, 현재 실행중인 프로세스외 다른 프로세스를 실행하게 된다면, 메모리에 저장된 PCB 를 교체해야하는데 이것을 바로 Context Switch (문맥교환) 이라고 한다. 쉽게 말해 실행중인 프로세스의 상태정보를 교환하는 것이다.

바로 이 문맥 교환을 통하여 우리가 여러 프로그램들을 실행할수 있는 것이다. (위에서 설명했듯이, 동시에 실행되는 것이아닌 빠르게 프로세스가 교체되는 것)

이때, 문맥교환이 수행중일때는 다른 작업이 불가능 한데 이것을 바로 오버헤드 라고 한다.

+ Thread

일반적으로 프로세스와 스레드 는 두 개념을 정확하게 알지 못하면 혼동하기 쉬운 개념이다. (단, CPU 에서 말하는 스레드는 하드웨어 스레드를 뜻하고, 여기서 말하는 스레드는 소프트웨어 스레드를 뜻한다.)

프로세스가 메모리에 저장되어 독립적으로 실행가능한 프로그램의 단위라면 스레드는 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위 이다. 이때 실행되는 작업의 흐름이 한개라면 단일 스레드, 여러개라면 멀티 스레드 라고 한다. (프로세스는 반드시 하나 이상의 스레드를 가진다.)

예를 들어 브라우저에서 검색을 하며 파일을 다운로드하는 것은 검색작업을 하는 스레드 와 다운로드 작업을 하는 스레드, 2가지의 스레드를 가지고 있는 것이다.

스레드는 프로세스의 4가지 영역 중, 스택 영역만 따로 할당받고 나머지 영역은 다른 스레드 와 공유하며 실행된다.

독립적인 스택 영역을 할당받는다 ➡️ 독립적인 함수 호출이 가능하다 ➡️ 독립적인 실행흐름이 하나 추가된다