[운영체제] Process Context에 대해서 알아보자.

 

 

 

Process Context

 

컨텍스트란 프로그램의 실행 환경을 의미한다. 그리고 Process Context는 컴퓨터가 실행되는 데 필요한 구성 요소들의 집합을 말한다.

 

 

컨텍스트에는 두 가지로 나뉘는데 하나는 User Context, 다른 하나는 System Context이다.

 

 

• User Context
  • 코드 : 유저 프로그램 코드
  • 데이터 : 프로세스의 전역 변수
  • User Stack : LIFO 자료구조
    • 지역 변수, 함수의 파라미터, 리턴 정보 등을 저장하기 위함이다.
• System Context
  • 운영체제가 만든 것이다.
  • Kernel Stack(System Stack)
    • 커널 코드 내에 있는 함수 호출을 위한 인자, 지역 변수를 저장한다.
    • 커널 영역에 존재
  • Process Control Block(PCB)
    • 프로세스 제어를 위한 정보

 

 

 

 

 

이전에 시스템 프로그래밍에서 코드가 어떤 방식으로 동작하는지 배운 바가 있다. _fork()_함수는 자식을 생성하며 해당 부분에서 코드가 실행된다.

 

 

따라서 부모는 6과 88을 출력하고 자식은 7과 89를 출력한다.

 

 

 

 

 

User Part of Process Context

 

 

 

 

 

gcc와 같은 컴파일러를 사용하면 보조기억장치에 위와 같이 _a.out_이라는 파일이 생성된다. Linux에서 _a.out_은 ELF라는 format으로 구성되어 있다.

 

 

이렇게 만들어진 실행 파일은 보조기억장치 내에서 다음과 같은 정보를 가진다.

 

 

• header
  • 실행 파일에 대한 정보
• code
  • 컴파일된 바이너리 코드
• data
  • 값이 주어진 데이터
• bss
  • 값이 주어지지 않은 데이터
• stack
  • 지역 변수, 파라미터, 리턴 값 등

 

 

이러한 _a.out_을 더블클릭하여 실행한다면 프로세스가 생성된다. 이때 위와 같은 정보들과 함께 virtual address space에 우선적으로 생성된다. 이 공간은 가상 주소 공간에서 4GB만큼 채워지게 된다. 이는 2의 32승으로 Hex 코드로 _0xffffff_가 된다.

 

 

이때, 이렇게나 큰 공간은 _code_, _data_, _bss_,  _stack_이 한 번에 차지하는 것이 아니라 빈 공간으로 두며 최대 4GB만큼 커질 수 있음을 의미한다.

 

 

또한 0~3GB까지는 사용자 프로그래머에 의해서 만들어지는 User Context이며 3GB~4GB까지는 커널이 들어간다.  즉, _code_에서 3GB까지 접근하는 것은 _user mode_라고 부르고, 3GB~4GB의 커널 영역의 시스템 콜(fork 등)을 호출하는 것은 _kernel mode_라고 부른다.

 

user mode와 kernel mode를 바꿔가며 진행하는 것을 mode change라고 부른다.

 

 

virtual adress space 내의 stack은 보조기억장치 내에서와 달리 거꾸로 배치된 것을 알 수 있는데, 그렇기 때문에 아래로 자라야 한다.(메모리 주소가 높은 곳에서 낮은 곳으로) 이유는 kernel의 영역을 침범하지 않게 하기 위함이다.

 

 

비어있는 영역에는 라이브러리 혹은 heap 메모리 등이 들어가는데, 여기서 동적으로 메모리를 할당할 수 있다.

 

 

지금까지 보조기억장치 내에서 virtual address space가 존재하는 상황인데, 이는 프로세스 상태에서  _new_ 상태인 것이다. 그러다가 프로세스가 메인 메모리를 할당받게 되면 virtual address space에 있는 값들이 메인 메모리로 들어가게 된다. 결국에는 메인 메모리 이외의 곳에서 프로그램은 실행될 수 없기 때문이다.

 

 

 

이렇게 메인 메모리로 프로세스의 이미지가 들어가 있는 상태는 프로세스 상태에서 _Ready_상태이다.

 

 

 

 

 

 

 

Main Memory, Virtual Adress Space

 

 

 

 

앞서 설명한 바와 같이 Virtual Adress Space는 모두 다 어떤 기준점을 기준으로 거리를 매겼기에 상대적인 주소를 가지고 있다.(4GB)

 

 

헷갈리지 말자. Virtual Adress Space에 있는 각각의 프로세스가 실행되는 것이 아니라 원본에 해당되는 것들이고 실제로 실행되는 곳은 메인 메모리(Physical Address)인 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

Context Saving in the User Stack

 

 

Stack은 호출하는 함수의 레지스터 값을 저장한다.

 

 

 

 

 

사진에서 나타나는 바와 같이 User Stack에서는 각각의 함수가 호출될 때마다 하나의 레이어씩 쌓이게 된다.

 

 

그리고, 가지고 있는 정보는 지역변수, 인자, 그리고 리턴될 주소와 리턴 값을 가진다.

 

 

함수가 종료되면 레이어는 하나씩 빠지게 되며 빠지게 된 레이어에 있는 값들에는 접근할 수 없다.

 

 

 

 

 

 

Context Saving in the Kernel Stack

 

 

 

 

 

커널도 시스템 콜이 호출될 때 스택이 사용된다. 예를 들어 _fork()_라는 User Level의 Execution이 생겼을 때, System Call 함수가 실행되고 이에 대한 리턴 주소와 인자, 그리고 지역 변수를 가지고 있다. System Call은 내부적으로 Disk Interrupt를 발생시키고 이에 대한 함수도 연쇄적으로 실행된다.

 

 

즉, User Stack이든, Kernel Stack이든 동작하는 방식은 유사하다.