[OS]프로세스와 스레드(1)

📌 프로세스와 스레드

프로세스(process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)와 거의 같은 의미로 쓰인다. 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.
프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행합니다.

• 프로그램이 메모리에 올라가면 CPU는 프로그램의 시작 주소를 PC로 설정합니다.
• 이후 PC가 가리키는 주소에 있는 명령어를 실행하고, 실행이 끝나면 PC를 다음 명령어로 업데이트합니다.
• 컨텍스트 스위칭 시, 각 프로세스의 PC와 관련 레지스터 상태를 저장하고, 다른 프로세스의 상태를 복구합니다.

*Program Counter(PC)란?

Program Counter는 CPU가 현재 실행 중인 명령어의 메모리 주소를 가리키는 레지스터이다.

 
1) 프로세스 로딩: 프로세스가 실행되기 위해 운영체제에 의해 메모리에 로드된다. 이 과정에서 실행 파일(바이너리 코드)은 물리적 메모리에 배치디고, 실행을 위한 필수 데이터(스택, 힙, 데이터 세그먼트 등)도 설정된다.
2) 프로그램 카운터(PC) 초기화: 프로세스가 메모리에 로드되면, CPU는 프로그램 카운터(PC) 레지스터를 설정하여 첫 번째 실행할 명령어의 주소를 가리키게 된다. 이때 프로그램 카운터는 프로그램의 시작 주소를 가리키게 되며, 이는 일반적으로 프로그램의 첫 번째 명령어이다.
3) 명령어 실행: CPU는 프로그램 카운터가 가리키는 메모리 주소에 있는 명령어를 가져와 실행한다. 명령어가 실행되면, 프로그램 카운터는 자동으로 업데이트 되어 명령어의 다음 주소를 가리키게 된다. 예를 들어, 명령어가 실행될 대 프로그램 카운터는 1만큼 증가하거나, 조건에 따라 다른 주소로 변경될 수 있다(예: 조건문, 함수 호출 등)
4) 프로세스 스케줄링: 여러 프로세스가 동시에 실행될 때 CPU 스케줄러는 각 프로세스에 CPU 시간을 할당한다. 이때, 각 프로세스의 프로그램 카운터와 상태가 관리되어, 해당 프로세스가 다시 실행될 때 이전에 실행하던 지점에서부터 다시 실행될 수 있도록 한다.
5) 프로세스 종료: 프로그램이 종료되면 더 이상 실행할 명령어가 없기 때문에 프로그램 카운터는 종료 주소를 가리키거나 프로그램 종료 상태를 나타낸다. 운영체제는 프로세스를 종료하고 메모리에서 프로세스를 제거한다.
 

📌 프로세스의 컴파일 과정

컴파일은 인간이 이해할 수 있는 언어로 작성된 언어를 CPU가 이해할 수 있는 언어로 변환하는 작업을 말한다.
 

1. 컴파일 언어(Compiled Language)

컴파일 언어는 작성도니 소스 코드를 기계어(바이너리 코드)로 변환하는 과정(컴파일)을 거쳐 실행되는 언어이다. 소스 코드는 컴파일러라는 프로그램에 의해 미리 기계어로 변환되며, 이 과정에서 오류가 있으면 컴파일 단계에서 발견된다. 변환된 기계어 파일이 실행되므로, 프로그램 실행 속도가 빠른 편이다.
- 대표 언어: C, C++, Rust, Go, Swift
- 특징: 컴파일러가 소스 코드를 한 번에 기계어로 변환해 실행 파일을 만든다.
- 과정
1) 전처리(Preprocessing): 매크로 치환, 주석 제거 등
2) 컴파일(Compilation): 전처리된 코드를 중간 코드나 어셈블리어로 변환
3) 어셈블리(Assembly): 어셈블리어를 기계어로 변환하여 오브젝트 파일을 생성
4) 링킹(Linking): 오브젝트 파일들을 묶어 최종 실행 파일을 생성한다.
- 장점: 빠른 실행 속도, 실행 파일 생성 후에는 추가적인 컴파일이나 해석이 필요 없다.
- 단점: 플랫폼에 따라 다른 실행 파일을 컴파일해야 할 수 있다. 
 

2. 인터프리터 언어(Interpreted Language)

인터프리터 언어는 작성된 소스 코드를 한 줄씩 해석하면서 실행하는 방식이다. 소스 코드가 인터프리터라는 프로그램에 의해 실시간으로 해석되고, 이를 즉시 실행한다. 컴파일 과정 없이 바로 실행할 수 있으므로 코드 수정 후 곧바로 결과를 확인할 수 있다는 장점이 있지만 실행 속도는 컴파일 언어보다 느릴 수 있다.
- 대표 언어: Python, Ruby, JavaScript
- 특징: 인터프리터가 소스 코드를 한 줄씩 읽어가며 실행하기 때문에, 별도의 실행 파일을 생성하지 않고 바로 실행된다. 
- 과정
1) 소스 코드 해석 및 실행: 인터프리터가 코드 라인을 해석하고, 즉시 실행한다.
- 장점: 코드 수정 후 바로 실행할 수 있어 빠르게 테스트 가능하다.
- 단점: 실행 중에 코드가 해석되므로 속도가 느릴 수 있다.
 

3. 바이트코드 언어(Bytecode Language)

바이트코드 언어란 소스 코드를 바이트코드라는 중간 코드 형태로 변환하여 실행하는 언어를 말한다. 바이트코드는 컴파일된 소스 코드의 중간 형태로, 기계어가 아닌 플랫폼 독립적인 명령어 집합이다. 즉, 바이트코드를 가상머신(Virtual Machine)이 해석하여 실행한다.
- 대표 언어: Java, C#, Kotlin
- 특징: 컴파일러가 소스 코드를 바이트코드 라는 중간 코드로 변환하고, 이 바이트코드를 실행할 때는 가상머신(VM)이 바이트코드를 기계어로 해석하거나 컴파일해서 실행한다.
- 과정
1) 컴파일: 소스 코드를 바이트코드로 변환
2) 실행: 가상 머신(JVM 등)이 바이트코드를 해석하거로 기계어로 변환 후 실행
- 장점: 플랫폼 독립적 실행이 가능하고, 인터프리터 언어보다 속도가 빠를 수 있다.
- 단점: 가상 머신이 필요한 환경에서만 실행되며, 가상 머신 로딩에 추가 시간이 소요된다.