프로세스와 스레드

프로세스(process): 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
스레드: 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.

프로그램과 프로세스의 차이?
프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)과 같은 실행 파일이며, 이를 실행시키는 인스턴스를 프로세스라고 한다.

1. 프로세스와 컴파일 과정

컴파일은 인간이 이해할 수 있는 언어로 작성된 소스코드(C,Java등)를 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하는 작업을 말한다.

전처리

소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.

컴파일러

오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다.

어셈블러

어셈블리어를 목적 코드(object code)로 변환한다.

컴파일러 vs 어셈블러 vs 인터프리터 차이점?
컴파일러는 C와 같은 고급언어를 기계어로 번역하는 프로그램,
어셈블러는 저급언어(어셈블리어)를 기계어로 번역하는 프로그램,
인터프리터는 인터프리터 언어를 한 줄 씩 기계어로 번역해서 바로 실행하는 프로그램이다.

링커

프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다.

• 정적 라이브러리
  프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식. 외부 의존도가 낮고 메모리 효율성이 떨어진다.

• 동적 라이브러리
  프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식. 외부 의존도가 높지만 메모리 효율성은 좋아진다.

  DLL(Dynamic Link Library)이란 ?
  동적 링크 라이브러리. 실행 파일에 직접 덧붙여지지 않고, DLL 파일에 독립적으로 존재하다가 프로그램이 실행될 때 동적으로 링크되어 사용된다.

2. 프로세스의 상태

생성 상태

생성 상태(create)는 프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다. 이때 PCB가 할당된다.

• fork()
  부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수

• exec()
  새롭게 프로세스를 생성하는 함수

대기 상태

CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태

대기 중단 상태

메모리 부족으로 일시 중단된 상태

실행 상태

CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태

인스트럭션 ?
컴퓨터의 동작을 지시하는 부호 단위

중단 상태

어떤 이벤트(인터럽트)가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
ex) 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘 듯 한 상태

일시 중단 상태

중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

종료 상태

메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태. 자발적 종료와 비자발적 종료가 있다.

3. 프로세스의 메모리 구조

스택

지역변수, 매개변수, 리턴값 등 잠시 사용되었다가 사라지는 데이터가 저장되고 로드 시(컴파일 시)에 크기가 결정되며 '동적'인 특징을 갖는다.
스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워놓는다.

힙

프로그래머가 필요할 때마다 사용하는 동적 데이터 영역이며 메모리 주소 값에 의해서만 참조되고 사용되는 영역이다. 따라서 프로그램 동작시(런타임)에 크기가 결정된다.

데이터 영역

데이터 영역은 전역변수, 정적변수가 저장되고 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역이다.
데이터 영역은 BSS영역과 Data영역으로 나뉘는데, BSS 영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 Data 영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장된다.

영역을 구분하는 이유
ROM에 저장하는 경우 비용이 많이 들어 RAM에 저장될 것과 ROM에 저장될 것을 구분하기 위해

코드 영역

코드 영역은 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역이다.
이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 갖는다.

4. PCB

PCB(Process Control Block)는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다.

메타데이터
데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 부여되는 데이터이다.

프로세스 제어 블록이라고도 하며 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택,힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다.
그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다.
이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

PCB의 구조

• 프로세스 스케줄링 상태: '준비','일시중단'등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
• 프로세스 ID: 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
• CPU 레지스터: 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
• CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
• 계정 정보: 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록
  
  

컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭은 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 CPU가 다음 프로세스를 수행하기 위해 PCB를 교환하는 과정을 말한다.

컴퓨터가 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것 처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 빠른 속도로 실행되기 때문이다.

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 유휴 시간과 캐시미스가 발생할 수 있다.

비용: 캐시미스
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시 클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

5. 멀티프로세싱

멀티프로세싱은 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다.
이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스에 문제가 생기더라도 다른 프로세스를 이용해 처리할 수 있기 때문에 신뢰성이 높다.

웹 브라우저

• 브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당한다.
• 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 '보이는'부분의 모든 것을 제어한다.
• 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다.

  플러그인 ?
  컴퓨터(소프트웨어)에 추가 기능을 설치하기 위한 확장 소프트웨어 또는 장치

• GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다.

  GPU ?
  GPU(graphics proccessing unit) 그래픽처리장치로 그래픽 작업을 처리하기 위해 개발되었다.

IPC

멀티프로세스는 IPC가 가능하며 IPC(Inter Process Communication)는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다.

클라이언트와 서버를 예로 들 수 있는데, 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것도 IPC의 예이다.

IPC는 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

• 공유메모리
  

  공유메모리는 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것을 말한다.

  기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다.

  IPC 방식 중 가장 빠르며 동기화가 필요하다.

  하드웨어 관점에서 공유메모리는 RAM을 가리키기도 한다.
  

• 파일
  파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말한다. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.

• 소켓
  동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.

• 익명 파이프
  익명 파이프는 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 부모, 자식 간에만 사용할 수 있고 다른 네트워크 상에서는 사용이 불가능하다.

  

• 명명된 파이프
  명명된 파이프는 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말한다. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.
  

• 메시지 큐
  메시지 큐는 메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC에 비해 사용 방법이 간단하다는 장점이 있다.
  

6. 스레드와 멀티스레딩

스레드

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.

스레드는 코드,데이터,힙을 서로 공유한다.

멀티스레딩

멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.
하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다는 단점이 있다.

ex) 멀티스레드의 예 렌더러 프로세스

7. 공유 자원과 임계 영역

공유자원

공유자원은 시스템 안에서 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 상태(race condition)라고 한다.

예를 들어 프로세스 A와 B가 동시에 접근하여 정상 결괏값은 300인데 200이 출력되는 상황이 있다.

임계 영역

임계 영역은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.

임계 영역을 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세가지가 있으며 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 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.
융통성 : 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 된다.

• 뮤텍스
  뮤텍스는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다. 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가진다.

  

• 세마포어
  세마포어는 일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait 및 signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
  

  • 바이너리 세마포어
    0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어

    뮤텍스 vs 바이너리 세마포어
    뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 '잠금 메커니즘',
    세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 메커니즘'이다.

  • 카운팅 세마포어
    여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다.

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

  

  모니터 vs 세마포어
  모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 상호배제가 자동인 반면 세마포어는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 한다.

8. 교착 상태

교착 상태(deadlock)는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

교착 상태의 원인

• 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스는 접근이 불가능하다.
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
• 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

교착 상태의 해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 쓴다.
3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
4. 교착 상태는 매우 드물게 일어나고 비용이 크기 때문에 현대 운영체제에서는 사용자가 작업을 종료하는 방법을 채택했다.