PCB(Process Control Block)
PCB
PCB(Process Control Block)은, 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다. '프로세스 제어 블록'이라고도 한다. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성하게 된다.
프로그램이 실행되면, 프로세스가 생성되고, '프로세스와 스레드1'에서 설명한 스택, 힙등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리되게 된다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 '커널 스택의 가장 앞부분'에서 관리된다.
※ 메타데이터
: 데이터에 관한 구조화된 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터이다.
PCB의 구조
PCB는 아래와 같은 정보로 이루어져있다.
- 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/O디바이스에 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 스위칭(context switching)은 PCB를 교환하는 과정을 뜻한다. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나, 인터럽트에 의해 발생하게 된다. 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만, 어떤 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개 이다. 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보인은 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 매우 빠른 속도로 실행되기 때문이다.
물론, 멀티코어의 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명이 맞는 건 아니지만, 컨텍스트 스위칭을 설명하기 위해서는 싱글코어를 기준으로 한다.
한 개의 프로세스A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장하고, 프로세스B를 로드하여 실행한다. 그리고 다시 프로세스B의 PCB를 저장하고 프로세스A의 PCB를 로드한다. 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 '유휴 시간(idle time)'이 발생한다. 또한, 컨텍스트 스위칭에 드는 비용이 더 있는데 바로 '캐시미스'이다.
비용: 캐시미스
컨텍스트 스위칭이 일어날 때, 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기기 때문에, 캐시클리어 과정을 겪게 되고, 이 때문에 캐시미스가 발생한다.
스레스에서의 컨텍스트 스위칭
컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어난다. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에, 스레스 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.
멀티프로세싱
멀티프로세싱
'멀티프로세싱'은 여러 개의 '프로세스', 즉, 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행하는 것을 말한다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있고, 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있어 신뢰성이 높다는 강점을 가지고 있다.
웹 브라우저
'웹 브라우저'는 멀티프로세스 구조를 가지고 있고, 아래와 같다.
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브라우저 프로세스 : 주소 표시줄, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하여 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당
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렌더러 프로세스 : 웹 사이트가 '보이는' 부분의 모든 것을 제어한다.
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플러그인 프로세스 : 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다.
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GPU 프로세스 : GPU를 이용해 화면을 그리는 부분을 제어한다.
IPC
멀티프로세스는 IPC(Inter Process Communication)가 가능하고, IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 말한다.
클라이언트와 서버를 생각해볼 수 있는데, 클라이언트는 데이터를 요청하고, 서버는 클라이언트 요청에 응답한다. 이도 IPC의 한 예이다.
IPC의 종류에는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다. 이것들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.
공유 메모리
'공유 메모리(shared memory)'는 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해 통신하는 것을 말한다.
원래 기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만, 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있게한다. IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌, 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르고, 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.
하드웨어 관점에서 공유 메모리는, CPU가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM을 가리킨다.
파일
'파일'은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 뜻한다. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 하게된다.
소켓
동일한 컴퓨터의 다른 프로세스텍스트나, 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.
익명 파이프
'익명 파이프(unamed pipe)'는 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간 파이프를 기반으로 데이터를 주고받는다. 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어 작동하는 방식이다. 아래를 보면 이해하기 쉽다.
이는 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있고, 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능하다.
명명된 파이프
'명명된 파이프(named pipe)'는 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프를 말한다. 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하고, 여러 파이프를 동시에 사용할 수도 있다. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신할 수 있다.
예를 들면 아래와 같다.
위 그림처럼, 일반적으로는 서버용 파이프와 클라이언트용 파이프로 구분해서 작동하고, 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신하게 된다.
메시지 큐
'메시지 큐'는 메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 이는 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되고, 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 직관적이고 간단하며, 다른 코드의 수정 없이, 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있다는 장점이 있다.
공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때, 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능 구현에 복잡함이 생기는데, 이럴 때의 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.
스레드와 멀티스레딩
스레드
'스레드'는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. '프로세스'는 여러 스레드를 가질 수 있다.
코드, 데이터,스택, 힙 영역을 각각 생성하는 프로세스와는 달리, 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유를 하고, 그 외의 영역만 각각 생성되게 된다.
멀티스레딩
'멀티스레딩'은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이다. 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다. 만약 웹 요청을 처리할 때, 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우, 훨씬 적은 리소스를 소비한다. 또한, 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드는 실행(runnging)상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능해진다. 동시성에도 큰 장점이 있다. 하지만 한 슬드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수도 있다는 단점이 존재한다.
멀티스레드의 한 예로는 웹 브라우저의 렌더러 프로세스를 예로 들 수 있는데, 렌더러 프로세스에는 메인 스레드, 워커 스레드, 컴포지터 스레드, 레스터 스레드가 존재한다.
※ 동시성
: 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고, 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것
공유 자원과 임계 영역
공유자원
'공유 자원(shared resource)'은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다. 공유 자원을 2개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 '경쟁 상태(race condition)'이라고 한다. 즉, 동시에 접근을 시도할 때, 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태인 것이다.
임계 영역
'임계 영역(critical section)'은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때, 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다. 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터, 3가지가 있다. 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족하게 된다. 이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 '잠금(lock)'이다. 예를 들어 임계 영역을 화장실이라고 생각해본다면, A라는 사람이 화장실에 들어간 후 문을 잠그게 되는 것이다. 그리고 A가 나오면 화장실을 쓰게 되는 방법이라고 생각하면 이해하기 쉽다.
※ 상호 베재
: 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
'뮤텍스(mutex)'는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 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 반대이다. 또한, 뮤텍스는 잠금 또는 잠금해제라는 상태만을 가지게 된다.
세마포어
'세마포어(semaphore)'는 일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수인 wait(P 함수), signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이고, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.
프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면, 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고, 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면, 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다. 세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때, 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.
바이너리 세마포어
'바이너리 세마포어'는 0과 1의 2가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다. 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수는 있지만, 엄밀히 보면 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호베재가 일어나는 '잠금 메커니즘'이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호배제가 일어나는 '신호 메커니즘'이다.
카운팅 세마포어
'카운팅 세마포어'는 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이고, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다.
모니터
'모니터'는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고, 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.
모니터는 '모니터큐'를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다.
모니터는 세마포어보다 구현하기 쉽고, 모니터에서는 상호 배제가 자동이지만, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 존재한다.
교착 상태
교착 상태
'교착 상태(deadlock)'는 2개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.
만약 프로세스A가 프로세스B의 어떤 자원을 요청할 때, 프로세스B도 프로세스A가 점유하고 있는 자원을 요청하는 상황을 말한다.
교착 상태의 원인
- 상호 배재 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있어, 다른 프로세스의 접근이 불가능한 상태
- 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
- 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없는 상황
- 환형 대기 : 프로세스A는 프로세스B의 자원을 요구하고, 프로세스B는 프로세스A의 자원을 요구하는 등, 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황
교착 상태의 해결 방법
- 자원을 할당할 때, 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
- 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원이 할당되고, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 사용한다.
- 교착 상태가 발생하면, 사이클이 있는지 찾아보고, 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
- 교착 상태는 드물게 일어나기 때문에, 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. 현대 운영체제는 이 방법을 택했다. 가끔 컴퓨터를 사용하다가 '응답 없음'이 뜰 때가 있을 것이다. 이럴 때 교착 상태가 발생했을 가능성이 크다.
※ 은행원 알고리즘
: 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로, 안정 또는 불안정 상태로 나누고, 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘
