13. 프로세스 구조(1)

 

프로세스와 컨텍스트 스위칭 

• 스케줄러에 의해 어떤 프로세스에서 다른 프로세스로 바뀌는 과정을 컨텍스트 스위칭이라고 한다. 
• 이 컨텍스트 스위칭을 이해하기 위해서는 프로세스의 구조에 대한 이해가 바탕이 되어야 한다. 
• 지금부터 프로세스의 구조에 대해서 알아보겠다. 

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1. 프로세스 구조 

- 먼저 다음과 같은 프로그램 코드가 있다고 해보자.

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

 

• 이 코드가 실행되면 컴파일이라는 단계를 거친다. 
• 컴파일은 기계어 또는 바이너리라는 0과 1로 된 언어로써, 컴퓨터가 이해할 수 있도록 번역되는 과정을 의미한다.  

- 프로세스가 실행된다는 것은 코드가 컴파일 되는 과정을 포함한다.

- 그렇다면 컴파일된 코드는 어디로 가는걸까? 프로세스 메모리로 가게 된다.

 

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2. 프로세스 구조 / 프로세스 메모리 구조

 

- 프로세스에는 크게 4가지(Code, Data, Stack, Heap)의 메모리 공간이 존재한다. 

 

 

a) Code 영역(=text 영역) 

• 개발자가 작성한 소스코드가 들아가는 부분이다. 
• 텍스트(Text) 영역이라고 부르기도 한다. 
• 실행 파일을 구성하는 명령어(함수, 제어문, 상수 등)가 올라가는 메모리 영역이다. 

 

 

b) Data 영역

• 전역변수와 static 변수가 할당되는 영역이다.
• 프로그램의 시작과 동시에 할당되고, 프로그램이 종료되어야 메모리가 소멸되는 영역이다 

 

 

c) Stack 영역

• 프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리 영역이다.
• 함수 호출 시 생성되는 지역변수와 매개변수가 저장되는 영역이다.
• 함수 호출이 완료되면 자동으로 소멸된다. 

 

 

d) Heap 영역

• 프로그래머가 직접 할당/해제하는 메모리 영역이다.
• Java에서는 가비지 컬렉터가 자동으로 해제하는 영역이다.
• Heap 영역의 메모리를 할당하는 것을 동적 할당(Dynamic Memory Allocation)이라고 부른다.
• C 언어에서는 malloc() 이라는 함수를 사용하여 동적 할당을 할 수 있다.

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3. 프로세스 메모리 할당 예시(파이썬)

- 위에서 보았던 파이썬 코드가 메모리에는 어떻게 할당되는지 알아보자.

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

 

프로세스
Stack (함수호출, 임시메모리)	0050h (return address)
	a = 1
	b = 2
Heap (프로그래머가 할당)
Data (전역/static변수)	c = 0
Code	def func(a, b):
	return print(a+b)
	c = 0
	c = func(1,2)   *리턴 어드레스 반환
	print(c)
추가설명	* 각 함수들은 실행이 완료되면 return address라는 것을 반환한다. 여기서는 임의로 005h라는 return address를 반환한다고 하자.

 

1) Code 영역에 소스코드가 올라간다. 

2) 소스코드를 읽기 시작한다. 

3) 전역변수(c = 0)가 Data영역에 저장된다. 

4) 함수 실행이 완료되면 return address(005h)를 반환하고, 이를 Stack 영역에 저장한다.

5) 함수의 인자 또는 매개변수(a = 1, b = 2)를 Stack 영역에 저장한다.

6) 함수 실행이 완료되면, return address를 기반으로 코드영역으로 돌아가서 다음 실행할 코드를 확인한다.

7) print(c)를 실행한다.

 

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4. 프로세스 메모리 할당 예시( C언어)

- 예시 코드는 다음과 같다.

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

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

 

- C언어로 작성된 예시 코드는 메모리가 어떻게 할당 될까? 

 

프로세스
Stack (함수호출, 임시메모리)	return address: 0006h
	argc
	argv
	reuturn address: 0005h
	return address: 0004h
	data = 1
	temp = 1
Heap (프로그래머가 할당)	동적할당 없음
Data (전역/static변수)	전역변수 없음
Code	void meaningless (int data)	0000h
	{
	int temp;	0001h
	temp = data;	0002h
	}
	int main (int argc, char **argv)	0003h
	{
	meaningless (1);	0004h
	return 0;	0005h
	}
	main 함수 종료 후 처리과정	0006h

 

• 위의 표를 통해 메모리가 할당과정을 부분적으로 표현했다.
• 여기서 한가지 특징이 발견되는데, 바로 스택 메모리는 return address의 값이 낮을수록 아래쪽에 높을수록 위쪽에 위치한다는 것이다. 이유가 무엇일까? 스택 메모리는 Stack 자료구조를 사용하기 때문이다. 
• 반대로, Heap은 return address의 값이 낮은것이 위쪽으로 높은것이 아래쪽에 위치하게 된다.