context 란?

Process Context, Thread Context, Execution Context, Runtime Context

컴퓨터 과학에서 _context_란 “코드가 실행되기 위해 필요한 상태 정보의 집합”을 의미함.

다만 context라는 용어는 사용되는 관점에 따라 가리키는 범위가 달라진다.

 

흔히, 대표적으로 다음 네 가지 정도를 기억하면 도움이 된다.

• Execution Context
• Thread Context
• Process Context
• Runtime Context

이들은 서로 유사하지만, 약간 다른 범위를 가진다.

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1. Execution Context

Execution context는 하나의 function 또는 코드 블록이 실행되기 위해 필요한 상태 정보를 의미.

프로그램에서 function이 호출되면 최소한 다음 정보가 필요함:

• 매개변수 값
• 지역 변수 공간
• 반환 주소
• 현재 실행 위치
• 저장된 레지스터 값(호출 규약에 따라)

이 정보들의 집합이 바로 execution context 임.

C 언어의 경우

C에서는 execution context가 스택 프레임(stack frame) 으로 구현됨.

• 함수가 호출되면 스택에 새로운 프레임이 생성되고,
• 그 안에 지역 변수, 매개변수, 반환 주소 등이 저장된다.
• 함수 실행이 끝나면 해당 프레임이 제거된다.

C에서 execution context는 스택 프레임 그 자체이다.

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Python의 경우

Python에서도 function 호출 시 스택 프레임이 생성된다.
그리고 Python 역시 call stack을 사용한다 (최소한 CPython에선).

다만 Python은 이 스택 프레임을 PyFrameObject라는 객체로 표현하여 추적과 introspection에 활용한다.

Python의 해당 frame 객체가 지원하는 기능은 다음과 같음:

• traceback 출력
• locals() 조회
• 디버깅 및 introspection

본질적으로 C에서의 stack frame 과 큰차이는 없음(객체로 추상화된 점을 제외하면).

Python에서도 execution context는 스택 위에 존재하는 stack frame이다.
Python은 이를 객체로 노출하여 활용할 수 있게 만든 것임.

보다 자세한 건 다음을 참고:

https://dsaint31.tistory.com/508

[Basic] namespace, frame, and context

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2. Thread Context

Thread context는 하나의 스레드가 실행되기 위해 필요한 상태 정보를 의미.

OS 는 스레드들을 번갈아 실행한다.

• 한 스레드를 멈추고 다른 스레드를 실행하려면,
• 멈춘 스레드의 상태를 저장해 두었다가 나중에 다시 복원해야 한다.
• 이때 저장되는 정보가 thread context이다.

일반적으로 thread context에는 다음이 포함됨:

• CPU 레지스터 값
• 프로그램 카운터(현재 실행 위치)
• 스택 포인터
• 스레드 전용 스택
• 스레드 로컬 저장소(TLS) 관련 정보

참고로 스레드는 프로세스의 주소 공간을 공유하지만,
실행 상태(레지스터)와 호출 스택은 스레드마다 독립적임.
프로세스에 비해 독립적인 정보가 적기 때문에 스레드가 보다 가벼운 실행단위임.

따라서 각 스레드는 자신의 call stack을 갖고, 그 위에 자신의 execution context(스택 프레임들)가 쌓이는 구조임.

즉, 다음이 성립:

• thread context는 “스레드 단위 실행 상태”
• execution context는 “함수 단위 실행 상태”

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3. Process Context

Process context는 운영체제가 하나의 프로세스를 실행하기 위해 유지해야 하는 상태 정보를 의미.

운영체제는 여러 프로세스도 번갈아 실행할 수 있다.

• 어떤 프로세스를 중단했다가 다시 실행하려면
• 그 시점의 상태를 저장해야 한다.
• 이 저장된 상태가 process context이다.

대표적으로 포함되는 것은 다음과 같다.

• 가상 메모리 주소 공간(메모리 맵)
• 열린 파일 디스크립터
• 권한 및 보안 정보
• 프로세스 스케줄링 정보
• (운영체제 구현에 따라) 프로세스 레지스터 상태 저장 정보

초보자가 이해할 때 가장 중요한 구분은 다음과 같다:

• 프로세스는 메모리 주소 공간을 가진 실행 단위
• 스레드는 그 주소 공간 안에서 돌아가는 실행 흐름 단위

따라서 하나의 프로세스에는 여러 개의 thread context가 존재할 수 있다.

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4. Thread Context와 Process Context의 관계

둘의 차이는 사실 범위에 있음

Process Context

• 프로세스 전체 단위
• 가상 메모리 맵 포함
• 열린 파일 정보 포함
• 주소 공간 자체를 포함

Thread Context

• 하나의 실행 흐름 단위
• CPU 레지스터 상태
• 스택 상태
• 실행 위치

즉, 다음과 같이 비유로 그 차이를 이해하자:

• 프로세스는 “집(주소 공간)”
• 스레드는 “집 안에서 움직이는 사람(실행 흐름)”
• 각 사람은 자기 기억(레지스터)과 자기 메모장(스택)을 따로 가진다.

스레드와 프로세스의 차이는 다음을 참고:

2023.12.27 - [개발환경] - [CE] Process versus Thread

[CE] Process versus Thread

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5. Runtime Context

Runtime context는 프로그램이 실행되는 동안 유지되는 전체 실행 환경을 의미.

이 개념은 가장 넓은 범위를 가지는 context.
(Runtime context 는 개념적 요소임)

다음을 포함될 수 있음:

• process context (OS가 관리)
• thread context들 (OS가 관리)
• 각 스레드의 execution context 집합(스택 프레임들, 언어 실행환경 등이 관리)
• 메모리 관리 상태(예: GC/allocator 상태, runtime이 관리)
• 전역 설정 및 환경 변수 (OS 또는 애플리케이션 또는 런타임/프레임워크 등이 관리)
• 라이브러리 및 프레임워크 상태 (프레임워크가 관리)

포함은 되나 관리 주체가 다른 점을 주의할 것.

예를 들어, Qt GUI 프로그램에서는 QApplication이 다음과 같은 환경을 관리한다.

• 메인 이벤트 루프
• 전역 GUI 설정(폰트, 스타일, 팔레트)
• 입력 장치 상태와 포커스
• 활성 윈도우 및 전역 GUI 자원

이는 GUI 애플리케이션의 runtime context 중에서도 프레임워크 수준의 실행 환경에 해당.

참고로, QApplication은

• CPU 레지스터나 가상 메모리 맵 같은 process context를 직접 관리하지는 않음.
• 관리하지는 않지만 process context 포함하고 있음 (프로그램이 실행되려면 필요함)
• 대신 GUI 프로그램이 동작하기 위한 프레임워크 레벨의 실행 환경을 구성하고 유지한다.

컴퓨터에서 애플리케이션 코드가 실행되기 위한 계층은 다음과 같음

하드웨어
   ↓
운영체제 (OS)
   ↓
언어 런타임 (C runtime, Python runtime 등)
   ↓
라이브러리 / 프레임워크 (Qt, Django 등)
   ↓
애플리케이션 코드

• QApplication은 Runtime 위에서 동작하는 라이브러리 계층에서 동작함.
• 즉 프레임워크 가 관리하는 Runtime의 환경을 관리하는 것임.

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요약

• Execution Context
  • 함수 실행에 필요한 상태 정보이며,
  • C와 Python 모두에서 stack frame으로 구현된다.
  • Python은 이를 frame 객체로 표현해 introspection을 가능하게 한다.
• Thread Context
  • 스레드 실행에 필요한 상태 정보이다.
  • 레지스터 상태와 스레드 전용 스택을 포함하며,
  • 한 프로세스 안에 여러 thread context가 존재할 수 있다.
• Process Context
  • OS가 관리하는 프로세스 단위 실행 상태이다.
  • 주소 공간(가상 메모리 맵), 열린 파일 등 프로세스 전체에 해당하는 정보가 포함된다.
• Runtime Context
  • 프로그램이 실행되는 동안 유지되는 전체 실행 환경이다.
  • process context, thread context, execution context 집합, 그리고 라이브러리/프레임워크 상태까지 포함할 수 있다.
  • Qt 등에서는 QApplication이 GUI 프로그램의 runtime context(프레임워크 수준)를 관리한다.