프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크에서 읽혀진 후 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말합니다. 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이를 총칭하여 프로세스라고 합니다. 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역 변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함합니다. 또한 프로세스는 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함합니다.
PCB는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조입니다. 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성합니다. 프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환하는데, 이 때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게 됩니다. 그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행합니다.
프로세스 간의 Context Switch는 캐시 메모리를 비워야 하는 차이가 있습니다.
- 프로세스 식별자(PID): 프로세스 식별 번호
- 프로세스 상태: new, ready, running, waiting, terminate 등의 상태 저장
- 프로그램 카운터: 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
- CPU 레지스터
- CPU 스케쥴링 정보: 프로세스의 우선순위, 스케쥴 큐에 대한 포인터 등
- 메모리 관리 정보: 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
- 입출력 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
- 어카운팅 정보: 사용된 CPU시간, 시간제한, 계정정보 등
스레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있습니다. 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있습니다. 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성됩니다. 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유합니다. 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 합니다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있습니다.
스택은 함수 호출시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간입니다. 따라서 스택 배모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것입니다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당합니다.
PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타냅니다. 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해서 다시 선점당하게 됩니다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어디까지 수행했느지 기억할 필요가 있어서 독립적으로 할당됩니다.