프로세스와 스레드

프로세스: 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업 / 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화 된 것을 말한다.
스레드: 프로세스 내 작업의 흐름

프로세스의 상태

프로세스는 아래 사진과 같은 상태 값을 가진다.

생성

생성 상태는 프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다. 이때 PCB와 메모리 공간을 할당한다.

fork()

fork()는 부모 프로세스의 메모리를 그대로 복사하며 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. fork()가 일어난 곳부터 새로운 자식 프로세스가 일하기 시작한다.

exec()

exec()는 새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

준비

준비 상태는 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.

수행

수행 상태는 CPU 소유권을 받아 명령어를 실행 중인 프로세스를 말한다.

블록/대기

특정 이벤트(I/O 작업 완료 등)가 발생할 때까지 수행될 수 없는 프로세스를 말한다. 입출력 작업이 완룐되면 다시 준비 상태로 전환된다. 이 상태에서는 당연하게 CPU를 사용하지 않는다.

-> 블록/대기와 준비 상태가 따로 있는 이유는 I/O 작업이 완료될 때까지 CPU를 받아도 수행하지 못하므로 준비 상태에 있어 CPU 소유권을 받지 못하도록 하기 위함

종료

프로세스가 정상적으로 실행을 완료했거나, 오류 또는 강제 종료로 인해 실행이 종료된 상태로, 운영체제가 프로세스의 자원(CPU 소유, 메모리)을 해제하고, PCB를 제거한다.

프로세스의 메모리 구조

스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

스택과 힙

• 스택과 힙은 동적 할당이 되며, 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것을 말한다.
• 스택은 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역이다.
• 힙은 동적으로 할당되는 객체들을 담는다.

데이터 영역과 코드 영역

• 데이터 영역과 코드 영역은 정적 할당되는 영역으로, 정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말한다.
• 데이터 영역은 BSS segment와 Data segment로 나뉘어서 저장된다.
  • BSS segment는 전역 변수 또는 정적 변수로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 할당된다.
  • Data segment는 전역 변수 또는 정적 변수로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 할당된다.
  • BSS의 데이터를 0이 아닌 값으로 초기화하거나, Data에 있는 데이터를 0으로 초기화한다고 영역이 이동되지 않는다.
• 코드 영역은 프로그램의 코드가 저장되어 있다.

PCB

• PCB(Process Control Block)는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다.
• 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널에서 관리한다.
• PCB 구조는 아래와 같다.
  • 프로세스 상태(생성, 준비, 블락/대기, ...)
  • 프로세스 ID(+ 자식 프로세스 ID)
  • 프로세스 권한(컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보)
  • CPU 레지스터 정보(프로그램 카운터 등과 같이 프로세스를 실행하기 위해 필요한 레지스터에 대한 정보)
  • CPU 스케줄링 정보(프로세스의 우선순위, CPU 점유 시간-> 기아 상태 방지)

컨텍스트 스위칭

• 컨텍스트 스위칭은 앞서 설명한 PCB를 저장하고 로드시키는 과정을 말한다.
• 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나, 인터럽트에 의해 발생한다.
• 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다.

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

스레드에서도 컨텍스트 스위칭이 발생하는데, 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.

cf) TCB(Thread Control Block)이 따로 존재하며, PCB보다 저장된 내용이 적다.

멀티프로세싱

멀티프로세싱은 여러 개의 '프로세스'를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다.
이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 각 프로세스가 독립적인 메모리 공간을 사용하기 때문에 안정성이 높다.

IPC

멀티프로세스는 IPC(Inter Process Communication)가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받는 메커니즘을 뜻한다.

공유 메모리

• 공유 메모리는 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 하는 것을 말한다.
• 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르며 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.

익명 파이프

• 익명 파이프는 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다.
• 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있다.

명명된 파이프

• 명명된 파이프는 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 양방향 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받는다.
• 부모, 자식 프로세스가 아니어도 사용할 수 있다.

메세지 큐

• 메세지 큐는 메세지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 말한다.
• 커널에서 관리되며, 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하다.
• 양방향 통신이 가능하다.
• 공유 메모리의 동기화 구현 어려움을 대안하기 위해 사용한다.

스레드와 멀티스레딩

스레드

프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.

 

멀티스레딩

• 멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.
• 예를 들어 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비한다.

공유 자원과 임계 영역

공유 자원

공유 자원은 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다,.

 

임계 영역

• 임계 영역은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근하는 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.
• 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 진행이란 조건을 만족한다.

상호 배제: 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
한정 대기: 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다.
진행: 임계 영역에 들어가려는 프로세스가 있으면, 그 중 하나는 반드시 임계 영역에 진입할 수 있어야 한다.

뮤텍스

• 뮤텍스는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 사용하면 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다.
• 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대이다. 또한 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가진다.

세마포어

• 세마포어는 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait, signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
• wait은 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.
  • wait 상태에서 정수 값이 0 이상이면 -1 시키고 임계 영역에 접근한다.
  • signal의 경우 정수 값을 +1 해준다.
• 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다.

바이너리 세마포어

바이너리 세마포어는 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다.

 

카운팅 세마포어

세마포어가 0 이상의 값을 가질 수 있는 세마포어를 말하며, 한 공유 자원에 대해 여러 프로세스나 스레드가 접근할 수 있다.

모니터

• 모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.

• 모니터는 모니터 큐를  통해 공유자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다.

교착 상태

• 교착 상태는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.
• 예를 들어 프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 프로세스 A가 점유하고 있는 자원을 요청한 것이다.

교착 상태의 원인(요구 조건)

• 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으면 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다.
• 점유 대기: 프로세스가 이미 하나의 자원을 점유한 상태에서 추가 자원을 요청하며 대기하는 상태이다.
• 비선점: 자원을 점유한 프로세스가 자원을 강제로 회수당하지 않는 조건이다.
• 순환 대기: 여러 프로세스가 순환 형태로 자원을 요청하며 서로 기다리는 상황을 말한다.

교착 상태 해결 방법

• 예방: 교착상태의 원인(요구 조건)을 하나라도 만족시키지 않게 하는 방법을 말한다.
• 회피:
  
  • 교착 상태가 발생할 가능성이 있는 자원 할당을 하지 않는다.
  • 주로 은행원 알고리즘이 사용된다.
    • 자원 할당 전 검사를 통해 해당 자원 요청을 수락했을 때 시스템이 안전한 상태를 유지할 수 있는지 검사
    • 검사 결과, 요청이 안전하다면 자원을 할당하고, 그렇지 않으면 대기 상태
• 탐지 및  회복:
  • 탐지
    • 시스템에 교착상태가 발생했는지 점검하여 교착상태에 있는 프로세스와 자원을 발견한다.
    • 자원 할당 그래프를 이용한다.
    • 자원을 할당할 때마다 탐지하므로 오버헤드가 발생한다.
  • 회복
    • 교착상태가 발견되면 회복 기법을 진행한다.
    • 교착 상태를 일으킨 프로세스를 종료시키거나 기존 프로세스에 할당된 자원을 선점한다.