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메모리_구조

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Contents

  • 프로그램이 만들어지는 과정

  • Process State

  • Process Control Block

  • 프로세스 생성 관리

1. 프로그램이 만들어지는 과정

ELF 파일 구조-1

2. Process State

Porcess State

  • New : the process is being created

    • process가 막 생성된 상태 (fork()등으로 생성)

  • Running : Instructions are being executed

    • CPU를 점유해 명령어를 실행 중인 상태

  • Waiting : the process is waiting for some event to occur

    • (e.g., an I/O completion or reception of a signal)

    • I/O 등 외부 이벤트가 끝나길 기다리는 상태 (CPU 양보 상태)
      • I/O를 위해 CPU를 자발적으로 양보한다.
      • I/O가 끝날때까지 기다린다.

  • Ready : the process is waiting to be assigned to a processor

    • CPU 할당을 기다리는 상태 (I/O 작업은 없음)

  • Terminated : the process has finished execution

    • 실행이 종료되어 자원이 회수된 상태 (exit() 또는 return)

프로세스 상태 다이어그램

커널 내에 Ready Queue, Waiting Queue, Running Queue 를 두고 프로세스들을 상태에 따라 관리한다.

  1. fork()를 통해 새로운 프로세스가 생성되면 → New 상태로 진입한다.
  2. CPU 할당을 기다리기 위해 → Ready 상태로 이동하며, Ready Queue에 삽입된다.
  3. 스케줄러가 CPU를 할당하면 → Running 상태로 전환되어 명령어를 실행한다.
  4. CPU 스케줄링에 따라 CPU를 너무 오래 점유하면 → 인터럽트가 발생하여 다시 Ready 상태로 이동된다.
  5. I/O 작업이 필요하면, 프로세스는 자발적으로 CPU를 반납하고 Waiting 상태로 전환된다. (예: 디스크 읽기, 키보드 입력 등)
  6. I/O 작업이 완료되면 → 다시 Ready 상태로 돌아가 CPU 할당을 기다린다.
  7. 다시 스케줄러에 의해 CPU를 할당받으면(scheduler dispatch) → Running 상태가 되어 작업을 계속한다.
  8. 작업이 모두 끝나거나, exit() 혹은 main() 함수 종료 시 → Terminated 상태로 진입하고, 운영체제가 해당 프로세스의 메모리와 자원을 회수한다.

New → Ready → Running → (Waiting ↔ Ready) → Running → Terminated

3. Process Control Block

PCB(Process Control Block)

  • 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 유지하는 정보들의 구조체

    • 각 프로세스는 고유한 PCB를 하나씩 가지며, 운영체제는 이를 통해 프로세스의 상태를 추적하고 제어한다.
    • 운영체제는 이 PCB들을 큐(Ready Queue, Waiting Queue 등)로 관리하면서 스케줄링, Context Switch, 자원 할당 등을 수행한다.
항목설명
Process State현재 프로세스의 상태 (New, Ready, Running, Waiting, Terminated)
Program Counter다음에 실행할 명령어의 메모리 주소 → CPU가 해당 위치에서 명령어를 fetch한다.
CPU Registers(메모리_구조)실행 중이던 레지스터 값 (레지스터 스냅샷 저장) → Context Switch 시 필요 하다.
CPU Scheduling Info우선순위, 스케줄링 큐 포인터 등
Memory Management Info페이지 테이블, 세그먼트 테이블 등
Accounting Info어떤 user가 creation 했는지 등
I/O Status Info연관된 I/O 장치, 어떤 자원을 열었고 lock을 걸었는지 등

Program Counter

  • 프로그램 실행 중 다음에 실행할 명령어의 주소를 담고 있는 레지스터

    1. Fetch(가져오기) : 다음에 실행할 명령어를 메모리에서 읽어온다.
      • Program Counter(PC)는 다음에 실행할 명령어의 메모리 주소를 가리킨다.
      • 해당 주소의 명령어를 메모리에서 가져와서(Fetch), Instruction Queue(IQ)에 저장한다.
    2. Decode(해석하기) : 무슨 명령인지 해석해서 실행을 준비한다.
      • IQ에 저장된 명령어를 분석하여 어떤 연산인지 파악한다.
    3. Fetch Operands(피연산자 가져오기) : 실제로 연산할 값들을 메모리/레지스터에서 읽어온다.
      • 명령어가 참조하는 값들을 메모리나 레지스터에서 불러온다.
    4. Execute(실행) : 명령어에 따라 연산을 수행한다.
      • 산술/논리 연산, 메모리 접근, 분기 등 연산 유닛(ALU 등)이 동작한다.
    5. Store Output(결과 저장) : 연산 결과를 저장한다.
      • 연산 결과를 레지스터 또는 메모리에 저장한다.

  • 이 사이클은 각 명령어 단위로 반복되며, Program Counter는 다음 명령어 주소를 가리키도록 자동으로 증가한다.

Process Concept

  • Process

    • a program that performs a single thread of execution
    • process는 한번에 하나의 일만 수행할 수 있다.
    • 현대의 운영체제는 여러개의 일을 동시에 실행(멀티 프로세싱)할 수 있다.
      1. Kernel이 P0의 PCB0를 참조해서 PC, Register 정보 등을 CPU에 로드한다.
      2. interrupt나 I/O 요청이 발생하면 현재 PC, Register정보 등을 PCB0에 저장한다.(Context Save)
      3. 다음에 실행될 process인 P1의 PCB를 참조해서 상태를 CPU에 복원한다.(Context Restore)

Context Switch

커널이 프로세스 실행 상태를 저장하고, 다른 프로세스를 불러오는 작업

  • Context

    • the context of a process is represented in the PCB
    • 모든 프로세스는 코드, 데이터, 스택의 주소 공간과 프로세스가 동작할 때의 레지스터 값 등의 context를 가지고 있다.

  • Context Switch

    • Process가 바뀌는 과정
    • when CPU switches to a new process, kernel must save the state of the old process and load the saved stated for the new process
      • Context switching time is overhead
        • 시스템은 switching하는동안 아무것도 할 수 없다.
      • Context switching time은 hardware support(scheduling을 얼마나 잘하는가)에 의존된다.

4. Process Creation

process creation이란?

  • 모든 프로세스는 code, data, stack의 주소 공간과 프로세스가 동작할 때의 레지스터 값 등의 context를 가지고 있다.
  • 커널 관점에서 프로세스 생성이란 context를 관리하기 위한 process descriptor를 의미한다.

process descriptor

운영체제에서는 process descriptor로 process를 관리한다.

  • state, pid, 레지스터, 메모리, 파일 정보등이 있다.
  • 리눅스에서는 task_struct 구조체로 process를 관리한다.

PID만으로는 프로세스를 고유하게 식별하기 어렵다.

  • PID는 사용자 입장에서 프로세스를 식별하기 위한 단순한 숫자 ID일 뿐이며,
    프로세스가 종료되면 재사용될 수 있다.
  • 커널은 각 프로세스의 모든 정보를 담고 있는 task_struct(process descriptor)를 통해 프로세스를 정확하게 식별하고 관리한다.
  • 과거에는 task_struct를 배열 형태로 관리하며 인덱스로 접근하기도 했지만,
    현재는 주로 포인터 기반의 연결 리스트 또는 해시 테이블로 관리한다.

Linux Task(Process Task, Thread Task)

Process Task, Thread Task (Linux)

  • 리눅스에서는 process, thread 모두 task_struct를 통해 관리한다.
    • 따라서 리눅스에서는 process, thread라는 표현 대신 task라는 용어를 통일적으로 사용한다.

process descriptor를 PCB(Process Control Block) 또는 TCB(Thread Control Block)으로 부르기도 한다.

  • 하나의 process는 1개 이상의 thread를 가질 수 있다.
  • 사용자 공간의 각 thread는 커널 공간의 task_struct와 1:1로 매핑된다.
    • task_struct는 해당 thread/process의 상태, 레지스터, 메모리, 파일 정보 등을 담고 있는 커널의 관리 구조체이다.
  • thread의 수만큼 task_struct가 생성되고, 각각은 커널 스케줄러가 관리하는 독립적인 task가 된다.
  • 유저 스레드 간 전환은 context switching을 통해 이뤄진다.
  • 커널 스레드 간 전환의 경우:
    • 같은 커널 주소 공간 내에서 동작하므로
    • 상황에 따라 full context switching 없이 최소한의 상태만 전환할 수 있다.
    • 따라서 전환 오버헤드가 매우 작거나, 불필요한 경우도 있다.

MultiProcess VS Multithread

멀티스레드는 주소 공간을 공유해 빠르지만 동기화 이슈가, 멀티프로세스는 독립성이 높지만 전환 비용이 크다.

Multiprocesses

  • 운영체제 관점에서의 실행흐름을 제어한다.
  • context switching에 대한 부담이 크다.
    • 완전히 다른 주소 공간으로 전환해야 하므로 페이지 테이블 교체, 캐시/TLB 플러시 등 부가 비용 발생
  • process간 데이터 교환이 불가능하다. (주소 공간이 다름)
    • 데이터를 주고받기 위해 IPC(Inter-Process Communication) 필요
      • 예: Pipe, Message Queue, Shared Memory, Socket 등

Multithreads

  • process 내에서의 실행 흐름을 제어한다.
  • context switching에 대한 부담이 덜하다.
    • 같은 프로세스 내이므로 주소 공간은 그대로 → 레지스터만 저장/복원하면 되므로 빠름
  • thread간 데이터 교환이 매우 쉽다.
  • 동기화 문제가 발생할 수 있다.(mutex, semaphore 필요)

Context Switching(SW / HW)

리눅스/윈도우는 SW 기반 Context Switching방식을 사용한다.

S/W 방식

  • 커널이 직접 프로세스 상태를 task_struct(프로세스 디스크립터) 에 저장하고 복원함
  • 전환 시에는 아래와 같은 과정이 수행됨: 1. 현재 실행 중인 프로세스 A의 레지스터 값, PC(Program Counter) 등을 task_struct에 저장 2. 다음에 실행할 프로세스 B의 task_struct에 저장된 값을 읽어와 CPU에 복원

H/W 방식

  • Intel에서 각 프로세스의 상태를 TSS(Task State Segment) 라는 자료구조에 저장하고 자동 전환한다.
  • 주요 구조:
    • 각 Task의 TSS는 **GDT(Global Descriptor Table)**에 정의됨
      • 전환할 Task를 바꾸기 위해 TR(Task Register) 값을 변경
      • CPU가 자동으로 레지스터, 스택, PC 등을 교체

fork()

현재 실행 중인 프로세스를 복제(copy) 하여, 동일한 실행 흐름을 가진 새로운 자식 프로세스를 생성하는 시스템 콜

  • 자식 프로세스는 부모 프로세스와 코드(Code) 영역은 공유합니다.
  • 데이터(Data), 스택(Stack), 힙(Heap) 영역은 각각 독립적으로 복사되어 프로세스마다 별도로 할당됩니다.
  • 따라서 실행 흐름은 동일하더라도, 변수나 메모리 변경은 부모와 자식 간에 서로 영향을 주지 않는다.

execve()

현재 process를 새로운 process로 대체하는 시스템 콜

  • 현재 process를 새로운 process로 대체한다.(pid 변경 없음)
    • 현재 process의 주소공간을 완전히 교체한다.

fork() + execve()

fork(복제), execve(대체)을 조합해 다른 프로그램을 실행할 수 있다.

1. 부모 process가 fork()를 호출하면, 거의 동일한 자식 process가 복제된다.

  • 부모 프로세스가 fork()를 호출하면,
    → 거의 동일한 자식 프로세스가 생성됩니다.
  • 이때 부모와 자식은 완전히 독립된 프로세스이며,
    각각 다른 PID를 가집니다.

2. 부모 / 자식 역할 분리

  • 부모 process

    • 부모 process는 wait()를 호출하여, 자식이 끝날 때까지 기다린다.

  • 자식 process

    • 자식 process는 execve()를 통해 자신을 새로운 프로그램으로 덮어쓴다.
      • 자식 프로세스의 주소 공간이 완전히 새롭게 바뀐다.
      • PID는 그대로 유지한다.

Process Creation in Unix

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
 
int main(int argc, char *argv[]) {
	int counter = 0;
	pid_t pid;
	
	printf("Creating Child Process\n");
	pid = fork();
	if (pid < 0) { // Error in fork
		fprintf(stderr, "fork faild, errno: %d\n", errno);
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
 
	else if (pid == 0) { // This is Child Process
		int i;
		printf("I am Child Process %d!\n", getpid());
		execl("/bin/ls", "ls", "-l", NULL); // Run 'ls -l' at /bin/ls
		
		for (i = 0; i < 10; i++) { // Cannot be run
			printf("Counter: %d\n", counter++);
		}
	}
 
	wait(NULL);
	return EXIT_SUCCESS;
}

출처

  • 숭실대학교 공영호 교수님 운영체제
  • 숭실대학교 이정현 교수님 시스템 보안

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