[Computer Science][제로베이스 ]-운영체제 - 프로세스 구조

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프로세스와 컨텍스트 스위칭

Context Switching 이란 간단하게 말하면, Process A 실행 중 Process B로 바꿔주는데, 이 바꿔주는 메커니즘을 Context Switching이라고 한다. Context Switch는 Process와 매우 밀접하게 관련이 있으며 이 Contetxt Switching 메커니즘에 대해 조금 더 이해하기 위해 Process 구조를 알 필요가 있다. 즉, 실제 프로그램의 구조를 알아야 한다.

1. Process의 구조 Deep Dive!

Process의 구조

Process는 사용자 입장에서 크게 Text, Data, Head, Stack이라는 네 가지 영역으로 구분된다.

• text (Code) : 기계어로 컴파일된 Code, 코드 자체를 구성하는 메모리 영역이다. Hex 또는 Bin 파일 메모리.
• data : 변수 또는 초기화된 데이터. 전역 변수가 해당된다. 초기화되지 않은 데이터는 BSS(Block Stated Symbol) 영역에 저장된다.
• heap : code에서 동적으로 만들어지는 데이터. 메모리 주소 값에 의해서만 참조되고 사용된다.
• stack
  • 임시 데이터 (함수 호출, 로컬 변수 등). 지역변수, 인자, 함수의 리턴 주소를 갖는다. 함수 호출 시에 생성되었다가 함수가 끝나면 반환된다. Stack의 사이즈는 각 process마다 할당이 되지만 process가 로드될 때 사이즈가 고정되어 런타임 시에 Stack 사이즈는 바꿀 수 없다.
  • 사실상 Stack Frame이라고 하며 Stack이라는 자료구조를 이용하여 함수를 실행할 수 있는 구조로 만든 것.

Process의 실행

• Python code 예시

def func(a,b):
print(a+b)
c=0
c=func(1,2)
print(c)

Python Code는 Interpreter 언어 이므로 원래 Compile 되지 않는다. 이해를 돕기 위해 Python code가 Compile 된다고 가정해 본다.

1) 위의 Python Code를 컴파일 한 Binary Code가 Text에 저장된다.
2) 전역 변수인 C=0 이 Data 영역에 저장된다.
3) 함수 실행문인 func(1,2)가 실행

• 함수의 살행이 종료되면 함수는 반환된다. 함수에 선언된 지역변수 또한 함수가 끝나면 사라지므로 함수의 실행은 동적으로 처리를 하기 때문에 data가 아닌 Stack에 들어간다.
• 함수 실행문을 만나면 return address가 먼저 Stack에 할당이 된다. 여기서, Return address는 함수가 끝나는 다음 code의 주소 값이다.
• 그 후 a=1 , b= 2의 인자가 차례로 Stack에 들어가게 된다.
• func(1,2) 실행이 끝나면 Stack의 2, 1 은 차례로 제거되고 Return Address로 돌아간 후 Stack에 있는 Return Address는 제거된다.

Heap은 동적으로 메모리 공간이 할당되어야 할 때 사용된다. 예를 들어 C언어에서 동적으로 특정 메모리에 공간을 생성하는 malloc() 함수를 사용할 때 Heap에 저장된다.

• C Code 예시

 void meaningless(int data)
{
    int temp;
    temp=data;
}

int main(int argc,char **argv)
{
    meaningless(1)
    return 0
}

c 언어에서는 main 또한 함수이다. 위의 code는 함수 안에 함수가 실행되는 구조로 되어있으며, 함수 외부에 선언된 전역 변수는 없다.
함수가 실행이 되면 함수 다음에 실행될 코드의 주소 값이 return address로 Stack에 저장이 되었다. main 함수가 끝나면 실질적으로 뒤에 처리하는 Default Code들이 있다. 이 main의 return address를 0006h라고 가정한다.
Python code 예제보다 조금 더 나아가서 PC (Pogram Counter)라는 개념을 추가하여 Process 진행 과정을 보면 아래와 같다.

1) 프로그램이 실행되면 process의 text 영역에 컴파일된 코드가 전달된다.
2) PC(Program Counter)가 코드가 존재하는 주소 (각 Code 옆에 적혀있는 메모리 주소)를 하나하나 가리키면서 실행이 된다.
** PC(Program Counter) : Code를 한 줄 한 줄 가리키는 주요 registor **

• main 함수의 return address인 0006h가 Stack에 저장이 되고 차례로 매개변수인 argc, argv가 Stack에 저장이 된다.
• main 함수 내부에 있는 meaningless(1)이 실행이 되면 이 함수의 return address인 0005h가 Stack에 저장이 되고 차례로 data=1 , temp = data = 1 이 저장된다.
• meaningless 함수가 끝나면 PC는 Stack에 저장되어 있던 return address 0005h를 가리키고 Stack에서 삭제한다.
• 0005h의 코드가 실행이 되고 main 함수가 끝나면 Stack에 있는 argc와 argv가 stack에서 제거된가.
• PC는 Stack에 있는 main 함수의 return address인 0006h를 가리키게 되고 0006h는 Stack에서 삭제된다.
• Default Code를 실행한다.

return address를 Stack에 저장하는 이유는, 함수 내부에 다른 함수가 존재하는 경우 return address를 지정하여 실행되는 함수가 종료되었을 때 다음 code로 돌아가 작업이 계속 이어지도록 하기 위함이다.

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2. Context Switch?

(이 사이트 참고) Context Switch는 현재 실행 중인 process 또는 Registor의 값 (Context)을 저장하고 새로운 process 또는 Registor 값(Context)으로 변경하여 CPU가 다음 process를 실행하는 것을 말한다.

< 용어 정리 >

Context? Operating System에서 Context는 CPU가 해당 process를 실행하기 위하 process의 information이다. 이 Context는 Process의 PCB (Process Control Block)에 저장되고 Contex Swirching(loading) 중에 PCB information을 읽어서 CPU가 이전 peocess가 하던 작업을 계속할 수 있다.

• Program State : Getneration , Preparation, Execute, Waiting, Cancelled
• Context Switching 중에는 CPU는 어느 작업도 할 수 없다. 만약 Context Swiching이 빈번하면 Overhead가 발생하고 성능 효율 또한 떨어진다.

*그렇다면 Context Switching을 언제 발행될까?

• I/O request
• Time Slice expired (CPU 사용기간 만료)
• Fork a child (자식 process를 생성할 때)
• Interrupt를 대기를 처리할 때

3. Process & Context Swiching

컴퓨터 구조에서 중요한 Registor인 PC(Program Counter)와 SP(Stack Pointer)가 프로세스 구조에서 어떻게 작동되는지 적용해 보자.

<예시에서 나오는 용어를 정리>

• C(Program Counter) : Code를 한 줄 한 줄 가리키는 주요 registor
• SP(Stack Poionter) : Stack Frame의 최상당 주소를 가리키는 registor
• EAX(Extended Accumulator Register): 는 산술(덧 샘, 곱셈, 나눗셈 등), 논리 연산을 수행하며 함수의 반환 값이 이 레지스터에 저장된다. 산술, 논리 연산을 모두 EAX Registor를 사용하며 함수의 반환 값이 이 레지스터에 저장되므로 호출 함수의 성공 여부, 실패 여부를 쉽게 파악할 수 있다.
• EBP (Base Ponter Register) : 함수를 Tracking 할 때 쓰인다. 이 레지스터에는 현재의 Stack Pointer의 최상단을 가리키는 주소가 들어가 있고, 그 주소가 Stack에 먼저 담긴다. 만약 어떤 함수에서 문제가 생겼을 때, EBP registor를 확인하면 문제가 생긴 함수의 최상단 SP를 갖고 있게 된다. SP의 다음 주소는 항상 Return address를 갖고 있고, Return Arddress의 윗 줄이 해당 함수의 실행문이라는 것 또한 알 수 있으므로 어디서 문제가 발생했는지 알 수 있다. 이처럼 EBP는 문제가 생겼을 때 함수를 빠르게 Tracking 하는 기능을 제공한다.

 

1.Python Code 예시

1. def func(a,b):
2. return a+b

3. c=0
4. c=func(1,2)
5. print(c)

위의 Python code와 같이 code가 text 영역에 컴파일되어 저장되고 전역 변수인 C=0은 data 영역에 저장된다.
PC가 주소를 한 줄씩 가리키면서 Code를 실행한다.

1) 처음 PC = 0000h , SP = 100h (아직 아무것도 없기 때문에)
2) pc는 1씩 늘어난다. 두 번째 pc는 0001h이지만 함수의 선언 이기 때문에 아무 일도 일어나지 않는다.
3) PC = 0002h (data에 이미 들어가 있기 때문에 특별히 실행할 것이 없다)
4) Pc = 0003h이 실행이 되면 EBP에 초기 SP의 값이 1000h 쓰여있는데, 이 값이 지금 가리키고 있는 SP 위에 들어간다
5) 0003h가 실행이 되면 첫 번째, 두 번째 인자가 Stack에 들어가기 전에 return address를 Stack에 넣어줘야 하므로 0004h가 들어가게 된다.
6) 그 후 함수의 인자가 들어간다. Return a+b의 값은 EAX Registor에 들어간다.
7) 함수가 끝나고 Stack에 있는 인자 값은 삭제되고 0004h라는 return address를 만나게 되면 return address , EBP registor의 값도 삭제가 된다.
8) 그 후 PC는 0004h로 변환한다.
9) pc = 0004h : c의 값은 EAX registor에 있는 값이다. 이를 결괏값으로 받는다.
10) pc = 0005h : c를 출력하고 끝난다.

만약, 함수 안에 또 다른 함수가 있다면, EBP Registor에 OFFCh 가 들어가게 되고 Stack에도 OFFChr값이 들어가게 된다. 

2. C Code 예시 - Heap 메모리

Process의 구조는 크게 4가지의 구성요소를 갖는다. 그중 Heap은 동적으로 생성되는 메모리이다. 이 Heap 메모리가 어떻게 동작을 하는지 아래의 C Code 예시로 알아본다.

아래의 Code는 main 함수 안에 malloc()으로 동적으로 공간을 할당하고 있다. 미리 컴파일하여 전역 변수 등의 공간을 미리 만들어서 저장하는 Data와는 달리 malloc은 실행코드 안에서 어떻게 실행이 될지 모르기 깨문에 정적으로 알 수 없으므로 Heap이라는 동적으로 생성되는 공간에 저장한다.

int main() 
{     
    int *data;     
    data=(int *) malloc(sizeof(int)); 
    // int -> 32 bit 크기의 공간을 생성하여 int 형 pointer인 data가 가리키게 한다.             
    *data=1; // heap에 할당된 메모리에 1을 할당     
    print("%d\n",*data);     
    return 0; 
}

1) code 가 data 영역에 저장된다
2) main 함수의 return address가 Stack에 저장된다
3) 지역변수 data가 Stack에 저장된다.
4) 32 bit (sizeof(int)를 갖는 공간을 malloc으로 할당하고 pointer인 data가 가리킨다. 이때, data는 heap에 저장된 메모리를 참조한다. ( heap의 주소 값 1000h가 data에 들어가게 된다. data=1000h)
5) data가 가리키는 heap 공간에 1을 저장한다.

참고사이트