프로세스의 메모리 구조 와 PCB

프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.

 

위에서 부터 스택(stack), 힙(heap), 데이터 영역(BSS segment, Data segment), 코드 영역(code segment) 으로 나눠진다.

스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

스택

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

힙

힙은 동적 할당할 때 사용되며 런타임시 크기가 결정 된다. ex) 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당된다. 힙은 '동적'인 특징을

가진다.

데이터 영역

데이터 영역은 전역변수, 정적변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료 되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역이다.

데이터 영역은 BSS 영역과 Data 영역으로 나뉘고, BSS 영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 Data 영역은 0이

아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장된다.

코드영역

코드 영역은 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역이다. 이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징

을 가진다.

PCB

PCB(Process Control Block)는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다.

프로세스 제어 블록이라고 한다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당 된다.

그리고 이 프로세스들의 메타 데이터들이 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 잇는 정보를 효율적으로 찾아내서

이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터이다.

PCB의 구조

PCB는 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID등의 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 프로세스ID
• 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어 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 상태정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭(context switching)은 앞서 설명한 PCB를 교환하는 과정을 말한다.

 

한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것 처럼 보이지만

어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이며, 많은 프로스세가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다.

 

참고로 사실 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명은 틀린 설명이다.

하지만 컨텍스트 스위칭을 설명 할때는 싱글코어를 기준으로 설명한다.

 

위의 그림처럼 한 개의 프로세스 A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행한다.

그리고 다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드한다. 컨텍스트 스위칭이 일어 날때 위의 그림처럼

유휴 시간(idle time)이 발생 하는것을 볼 수있다. 이 뿐만아니라 이 컨텍스트 스위칭에 드는 비용이 더 있다.

캐시미스 이다.

비용:캐시미스

컨텍스트 스위칭이 일어 날때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘 못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을

겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

참고로 이 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어난다. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트

스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.