프로세스(2)

프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당한다.

메모리 구조는 동적 영역인 스택과 힙, 정적 영역인 데이터 영역과 코드 영역으로 나눠진다. 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

 

스택

지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 '동적'인 특징을 갖는다.

함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이 때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓는다.

 

힙

동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정된다. 예를 들어 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당된다.

'동적'인 특징을 갖는다.

 

데이터 영역

전역변수, 지역변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역이다.

BSS영역과 Data영역으로 나뉘고, BSS영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 Data영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장된다.

 

코드 영역

프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역이다. 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 갖는다.

 

PCB

PCB는 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보로 이루어져 있다.

• 프로세스 스케줄링 상태 : '준비', '일시중단' 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
• 프로세스 ID : 프로세스 ID, 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
• CPU 레지스터 : 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
• 계정 정보 : 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• I/O 상태 정보 : 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

 

컨텍스트 스위칭 (context switching)

앞서 설명한 PCB를 교환하는 과정을 말한다.

한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 사실 한 시점에 실행되고 있는 프로세스는 단 하나이며 많은 프로세스가 동시에 구동되고 있는 것 처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다.

사실 멀티코어의 CPU는 한 시점에 한 개의 프로그램은 아니고 싱글코어에서의 기준이다.

 

캐시미스

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

 

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

스레드에서도 컨텍스트 스위칭이 일어난다. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.

 

멀티 프로세싱

여러 개의 프로세스, 즉 멀티 프로세스를 통해 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다.

하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다.

 

웹 브라우저

멀티 프로세스 구조를 가지고 있다.

• 브라우저 프로세스 : 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당한다.
• 렌더러 프로세스 : 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어한다.
• 플러그인 프로세스 : 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다.
• GPU 프로세스 : GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다.

 

IPC (Inter Process Communication)

멀티 프로세스는 IPC가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고 받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 말한다.

클라이언트와 서버를 예로 들 수 있다.

IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있고 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

 

공유 메모리 (shared memory)

여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것을 말한다.

각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 순 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다.

IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고 받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르고 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.

 

파일

디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말한다. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.

 

소켓

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 말한다.

TCP와 UDP가 있다.

 

익명 파이프 (unamed pipe)

프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어 작동하는 방식이다.

부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있고 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능하다.

 

명명된 파이프 (named pipe)

파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말한다. 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신할 수 있다.

보통 서버용 파이프, 클라이언트용 파이프로 구분해서 작동하고 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신한다.

 

메시지 큐

메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 말한다. 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 직관적이고 간단하며 다른 코드의 수정 없이 몇 줄의 코드 추가만으로 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있다는 장점이 있다.

공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 복잡한데 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.

 

 

Reference

• http://www.yes24.com/Product/Goods/108887922