💾 [CS] 프로그램 실행 원리를 설명하기 위해서는 컴퓨터 과학(Computer Science)을 이해해야 할까요?

• 프로그램의 실행 원리를 자세히 이해하려면 컴퓨터 과학(Computer Science)의 여러 개념들을 이해하는 것이 매우 중요합니다.
• 컴퓨터 과학(Computer Science)은 프로그램이 어떻게 작성되고, 컴파일되며, 실행되는지를 설명하는 다양한 원리와 기술을 다룹니다.
• 프로그램의 실행 원리를 이해하기 위해 필요한 컴퓨터 과학(Computer Science)의 개념들은 컴퓨터 아키텍쳐(Computer Architecture), 운영 체제(Operating System, OS), 데이터 구조(Data Structure), 알고리즘(Algorithm) 등이 있습니다.

1️⃣ 프로그램의 실행 원리.

• 프로그램의 실행 과정은 코드를 작성하는 단계에서부터 프로그램이 실제로 CPU에서 실행되는 단계까지를 포함합니다.
  • 이 과정은 다음과 같은 주요 단계로 나눌 수 있습니다.

1️⃣ 코드 작성(Programming)

• 개발자가 프로그래밍 언어를 사용하여 소스 코드를 작성합니다.
• 소스 코드는 텍스트 파일로 저장되며, 사람이 읽고 이해할 수 있는 형태입니다.

2️⃣ 컴파일 또는 인터프리트(Compilation or Interpretation)

• 프로그램이 작성된 후, 컴파일러(Compiler) 또는 인터프리터(Interpreter)가 소스 코드(Source Code)를 머신 코드(Machine Code)로 변환합니다.
• 컴파일러(Compiler)는 소스 코드를 한 번에 전체적으로 번역하여 실행 파일을 생성하는 반면, 인터프리터(Interpreter)는 코드를 한 줄씩 읽고 번역하면서 즉시 실행합니다.
• 이 과정에서는 어휘 분석, 구문 분석, 코드 최적화 등의 과정이 포함됩니다.

📝 어휘 분석(Lexical Analysis)

컴파일 과정의 첫 번째 단계로, 소스 코드에서 문자(character)들의 연속을 의미 있는 단위인 토큰(Token)으로 분해하는 과정입니다.
이 과정에서 어휘 분석기(Lexer) 또는 스캐너(Scanner)가 사용되며, 소스 코드의 텍스트를 읽어들여 키워드, 식별자, 연산자, 리터럴 등의 토큰을 생성합니다.

📝 구문 분석(Syntax Analysis)

컴파일 과정의 두 번째 단계로, 어휘 분석(Lexical Analysis)에서 생성된 토큰(Token)들을 받아서 소스 코드가 문법적으로 올바른지 확인하고, 이를 구조적으로 표현하는 과정입니다.

구문 분석기는 파서(Parser)라고도 하며, 프로그램 소스 코드를 구문 트리(Syntax Tree) 또는 파싱 트리(Parsing Tree)라는 트리 구조로 변환합니다.

3️⃣ 프로그램 로드(Program Loading)

• 컴파일된 실행 파일이 운영체제(Operating System, OS)에 의해 메모리에 로드됩니다.
• 운영체제(Operating System, OS)는 프로그램이 실행되기 위해 필요한 메모리 공간을 할당하고, 필요한 라이브러리(Library) 및 모듈(Module)을 로드합니다.

🙋‍♂️ 라이브러리(Library)와 프레임워크(Framework)의 차이점.
🙋‍♂️ 모듈과 컴포넌트를 레고 블록에 비유해보면?!
🙋‍♂️ 소프트웨어 공학에서의 모듈.

4️⃣ 프로그램 실행(Program Execution)

• 프로그램이 메모리에 로드된 후, CPU가 프로그램의 명령어를 하나씩 읽고 실행합니다.
• CPU는 명령어 사이클(Fetch-Decode-Execute)을 반복하여 프로그램의 명령어를 처리합니다.

📝 명령어 사이클(Fetch-Decode-Execute Cycle)

명령어 사이클(Fetch-Decode-Execute Cycle)은 컴퓨터의 CPU가 프로그램을 실행하는 기본적인 작동 과정을 설명하는 개념입니다.
이는 CPU가 메모리에 저장된 명령어를 가져와(Fetch), 해석하고(Decode), 실행(Execute)하는 일련의 단계를 반복하여 프로그램을 처리하는 방법입니다.
모든 프로그램은 이 명령어 사이클(Fetch-Decode-Excute Cycle)을 통해 실행되며, 각 단계에서 CPU는 특정 작업을 수행하여 프로그램의 명령어를 처리합니다.

• 실행 중인 프로그램은 운영체제(Operating System, OS)에 의해 프로세스(Process)로 관리되며, 운영체제는 프로세스 스케줄링(Process Scheduling)을 통해 CPU 시간을 할당합니다.

📝 프로세스 스케줄링(Process Scheduling)

운영체제(Operating System, OS)가 프로세스(Process)를 CPU에 할당하여 실행 순서를 결정하는 작업을 말합니다.
컴퓨터 시스템에서 동시에 여러 프로세스가 실행을 대기하고 있을 때, 한정된 CPU 자원을 효율적으로 관리하고, 프로세스들을 효과적으로 실행할 수 있도록 스케줄링(Scheduling)하는 것이 필요합니다.

스케줄러(Scheduler)는 어떤 프로세스(Process)가 언제, 얼마나 오랫동안 CPU를 사용할지 결정하며, 이를 통해 멀티태스킹 환경에서 여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이도록 합니다.

📝 멀티태스킹(Multitasking)

컴퓨터가 동시에 여러 작업(프로세스 또는 프로그램)을 실행하는 기능을 의미합니다.
이는 사용자가 여러 프로그램을 동시에 실행하거나, 운영체제가 백그라운드에서 여러 작업을 병렬로 수행할 수 있도록 합니다.
멀티태스킹 덕분에 사용자들은 여러 개의 프로그램을 동시에 사용할 수 있는 환경을 경험하게 됩니다.

실제로는 CPU가 여러 작업을 빠르게 전환하면서 동시에 여러 작업을 수행하는 것처럼 보이게 하는 방식으로 구현됩니다.
각 작업은 아주 짧은 시간 동안 CPU를 사용하고, 이후 다른 작업으로 전환되는 과정을 반복합니다
이를 통해 여러 갖겅비 동시에 진행되는 것처럼 보이게 됩니다.

5️⃣ 메모리 및 자원 관리(Resource Management)

• 프로그램 실행 중에 필요한 메모리, 파일, 네트워크 연결 등 다양한 자원들이 운영체제(Operating System, OS)에 의해 관리됩니다.
• 운영체제(Operating System, OS)는 프로그램이 사용하는 자원을 추적하고, 충돌이나 충돌이 발생하지 않도록 합니다.
  • 이 과정에서 가비지 컬렉션이나 메모리 해제등의 작업도 수행될 수 있습니다.

2️⃣ 컴퓨터 과학의 개념이 프로그램의 실행에 미치는 영향.

• 위의 단계들을 자세히 이해하기 위해서는 컴퓨터 과학(Computer Science)의 여러 분야에 대한 이해가 필요합니다.

1️⃣ 컴퓨터 아키텍쳐(Computer Architecture)

• 컴퓨터 아키텍처(Computer Architecture)는 CPU, 메모리, I/O 장치와 같은 컴퓨터 하드웨어의 구조와 작동 방식을 설명합니다.
• 프로그램이 실행될 때 CPU가 명령어를 어떻게 처리하는지, 메모리에 데이터가 어떻게 저장되고 접근되는지를 이해하려면 컴퓨터 아키텍쳐(Computer Architecture) 지식이 필요합니다.
• 예를 들어, 캐시 메모리, 파이프라인, 병렬 처리 같은 프로그램의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

📝 캐시 메모리(Cache Memory)

CPU와 메인 메모리(Random Access Memory, RAM) 사이에 위치한 고속의 작은 크기의 메모리로, 자주 사용되는 데이터나 명령어를 일시적으로 데이터나 명령어를 일시적으로 저장하여 CPU가 빠르게 접근할 수 있도록 하는 역할을 합니다.
캐시 메모리(Cache Memory)는 메인 메모리(Random Access Memory, RAM)보다 접근 속도가 훨씬 빠르기 때문에, 프로그램 실행 시 필요한 데이터와 명령어를 더 빨리 읽어 들일 수 있도록 해줍니다.

📝 파이프라인(Pipline)

파이프라인(Pipline)은 여러 작업을 연속적으로 처리하기 위해 각 작업을 여러 단계로 나누고, 동시에 처리할 수 있도록 설계한 기술을 의미합니다.
파이프라인(Pipline)은 컴퓨터의 CPU 설계에서 주로 사용되며, 명령어를 여러 단계로 나누어 각 단계가 병렬로 실행될 수 있게 함으로써 처리 속도를 높이는 방식입니다.

2️⃣ 운영체제(Operating System)

• 운영체제(Operating System)는 프로그램이 실행되기 위한 환경을 제공하고, 프로세스 관리, 메모리 관리, 파일 시스템 관리 등을 담당합니다.
• 프로그램의 실행 원리를 이해하려면 운영체제(Operating System, OS)가 어떻게 프로세스를 스케쥴링하고, 메모리를 관리하며, 입출력(I/O) 요청을 처리하는지에 대한 지식이 필요합니다.
• 예를 들어, 프로그램이 동시에 실행될 때 멀티태스킹과 스레드 관리가 어떻게 이루어지는지 이해해야 합니다.

3️⃣ 컴파일러 이론(Compiler Theory)

• 컴파일러(Compiler)는 소스 코드(Source Code)를 기계어로 변환하는 프로그램으로, 컴파일러 이론은 이 과정의 어휘 분석, 구문 분석, 최적화 등 다양한 간계를 설명합니다.
• 프로그램이 어떻게 최적화되어 더 빠르게 실행될 수 있는지, 어떤 코드가 더 효율적인지를 이해하려면 컴파일러(Compiler) 이론의 지식이 필요합니다.

📝 컴파일러(Compiler)

프로그래밍 언어로 작성된 소스코드를 기계어로 번역하여 실행 가능한 프로그램으로 만드는 소프트웨어입니다.
사람이 읽고 작성한 고수준 프로그래밍 언어(예: C, C++, Java, Python)를 컴퓨터가 이해할 수 있는 저수준 언어(기계어, 바이너리 코드)로 변환하는 역할을 합니다.

컴파일러는 프로그램을 실행하기 전에 한 번에 전체 소스 코드를 번역하고, 그 결과를 실행 파일(Executable File)로 생성합니다.
이 파일은 운영체제(Operating System, OS)에서 직접 실행될 수 있으며, 이후에는 별도의 과정 없이 바로 프로그램을 실행할 수 있습니다.

4️⃣ 데이터 구조(Data Structures)

• 프로그램은 데이터를 효율적으로 저장하고 관리하기 위해 다양한 데이터 구조를 사용합니다.
• 배열(Array), 연결 리스트(Linked List), 스택(Stack), 큐(Queue), 트리(Tree), 해시 테이블(Hash Table) 등과 같은 데이터 구조는 프로그램이 데이터를 처리하고 저장하는 방식에 큰 영향을 미칩니다.
• 프로그램의 실행 속도와 메모리 사용량을 최적화하려면 어떤 데이터 구조가 적합한지 이해하는 것이 중요합니다.

5️⃣ 알고리즘(Algorithms)

• 알고리즘은 문제를 해결하는 절차나 방법으로, 프로그램의 핵심 로직을 구성합니다.
• 정렬, 검색, 그래프 탐색, 동적 프로그래밍 등 다양한 알고리즘이 있으며, 효율적인 알고리즘을 설계하는 것은 프로그램의 성능에 직접적인 영향을 줍니다.
• 알고리즘의 시간 복잡도와 공간 복잡도를 이해하는 것은 프로그램이 어떤 속도로 실행되고 얼마나 많은 자원을 사용하는지를 파악하는 데 중요합니다.

6️⃣ 컴퓨터 네트워킹(Computer Networking)

• 네트워크를 통한 데이터 전송이 필요한 프로그램(예: 웹 애플리케이션, 클라우드 서비스 등)은 네트워크 프로토콜과 데이터 전송 방식을 이해해야 합니다.
• 프로그램이 데이터를 어떻게 전송하고 수신하는지, 네트워크 대기 시간이 프로그램의 성능에 어떻게 영향을 미치는지를 이해하려면 네트워크에 대한 지식이 필요합니다.

3️⃣ 프로그램 실행 원리와 컴퓨터 과학의 관계.

• 프로그램의 실행 원리는 컴퓨터 과학의 여러 하위 분야가 협력하여 작동하는 복합적인 과정입니다.
• 프로그램이 실행될 때, 컴퓨터 아키텍쳐, 운영체제, 컴파일러, 데이터 구조, 알고리즘이 서로 맞물려 작동하면서 프로그램이 효율적으로 실행되도록 합니다.
• 따라서 프로그램이 어떻게 메모리에 로드되고, CPU에서 처리되며, 자원이 관리되는지에 대해 깊이 이해하려면 컴퓨터 과학의 핵심 개념들을 공부해야 합니다.

4️⃣ 요약.

• 프로그램의 실행 원리를 깊이 이해하려면 컴퓨터 과학(Computer Science)의 다양한 개념을 알아야 합니다.
• 컴퓨터 과학은 컴퓨터 아키텍쳐, 운영체제, 컴파일러, 데이터 구조, 알고리즘, 네트워크 등을 포함하는 폭넓은 학문으로, 프로그램이 어떻게 작성되고, 컴파일되며, 실행되는지 설명하는 데 필요한 모든 이론적 기반을 제공합니다.
• 프로그램 실행의 각 단계는 컴퓨터 과학의 여러 개념이 상호작용하는 결과이며, 이러한 지식을 갖추면 프로그램을 최적화하고 효율적으로 설계하는 데 큰 도움이 됩니다.