3.3 프로세스와 스레드

윤·2023년 9월 21일

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프로세스(process) : 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램. CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)과 거의 같은 의미로 쓰인다.
스레드(thread) :프로세스 내 작업의 흐름

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

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정

프로세스 : 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것
컴파일러가 컴파일 과정을 통해 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만든다.

컴파일 과정

전처리 : 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합해 매크로를 치환

컴파일러 : 오류 처기, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

어셈블러 : 어셈블리어는 목적 코드(object code)로 변환됨.

링커 : 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합해 실행 파일을 만듦. 실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out

라이브러리 : 정적 라이브러리와 동적 라이브러리로 나뉨.

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

정적 라이브러리 : 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 쓰는 방법.

장점 : 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮음

단점 : 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어짐

동적 라이브러리 : 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법.

장점 : 메모리 효율성 좋음

단점 : 외부 의존도 높아짐

3.3.2 프로세스의 상태

생성(create)

프로세스가 생성된 상태.
fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다.
이때 PCB가 할당된다.

fork()

부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수. 주소 공간만 복사하며 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하진 않는다.

exec()

새롭게 프로세스를 생성하는 함수.

대기 상태(ready)

메모리 공간이 충분하면 메로기를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기함.
CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태.

대기 중단 상태(ready suspended)

메모리 부족으로 일시 중단된 상태

실행 상태(running)

CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태. 이를 CPU burst가 일어났다고도 표현한다.

중단 상태(blocked)

어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태.
I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생한다.
- ex) 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘 듯한 때

일시 중단 상태(blocked suspended)

대기 중단과 유사.
중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태.

종료 상태(terminated)

메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태.
자연스럽게 종료되는 것도 있지만, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 종료되는 것도 있음.
자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어섰을 때
부모 프로세스가 종료되었을 때
process, kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때

3.3.3 프로세스의 메모리 구조

스택과 힙

스택과 힙은 동적 할당 된다.
동적 할당 : 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것
스택
- 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역
- 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장됨.
- 재귀 함수가 호출된다고 했을 때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않는다.
힙
- 동적으로 할당되는 변수들을 담는다.
- malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있다
- 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우 힙 역영을 사용
  - ex) vector는 내부적으로 힙 영역을 사용

데이터 영역과 코드 영역

정적 할당되는 영역
정적 할당 : 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것
데이터 영역은 BSS segment와 Data segment, code/text segment로 나뉘어 저장된다.
- BSS segment
  - 전역 변수 또는 static, const로 선언됨
  - 0으로 초기화 또는 어떠한 값으로도 초기화 되어 있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당
- Data segment
  - 전역 변수 또는 staic, const로 선언됨
  - 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당
- code segment
  - 프로그램의 코드가 들어감

3.3.4 PCB

Process Control Block
운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'
프로세스 제어 블록이라고도 함
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.
PCB는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

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

PCB의 구조

프로세스 스케줄링 상태
프로세스 ID
프로세스 권한
프로그램 카운터
CPU 레지스터
CPU 스케줄링 정보
계정 정보
I/O 상태 정보

컨텍스트 스위칭

PCB를 교환하는 과정
한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생
컴퓨터는 프로그램들을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만, 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이며 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠르게 실행되기 때문에 동시에 구동되는 것처럼 보인다.
(참고 : 현대에는 멀티코어 CPU로 인해 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명을 틀린 설명이지만, 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어를 기준으로 설명한다.

프로세스 A 실행하다 멈춤
프로세스 A의 PCB를 저장
프로세스 B를 로드하여 실행
프로세스 B의 PCB를 저장
프로세스 A의 PCB를 로드
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 유휴 시간(idle time)이 발생한다. 추가로 드는 비용으로 캐시미스가 있다.

비용:캐시미스

컨텍스트 스위칭이 일어날 때, 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이로 인해 캐시미스가 발생한다.

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

스레드에서도 컨텍스트 스위칭이 일어난다. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용과 시간이 적게 걸린다.

3.3.5 멀티프로세싱

여러 개의 프로세스, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것.
하나 이상의 일을 병렬로 처리 가능
특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 생겨도 다른 프로세스를 이용해 처리할 수 있어 신뢰성이 높다

웹 브라우저

웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있다.

IPC

멀티프로세스는 IPC(Inter Process Communication)가 가능하다.

IPC : 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
IPC 예) 클라이언트와 서버. 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것
IPC의 종류 : 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐. 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다 속도가 떨어진다.

공유 메모리(shared memory)

여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해 통신하는 것.

기본적으로 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없음
하지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있음
IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠름
같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화 필요

파일

디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터.
이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다

소켓

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터.
TCP와 UDP가 있음

익명 파이프(unamed pipe)

프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어 작동하는 방식
부모, 자식 프로세스 간에만 사용 가능. 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능하다

명명된 파이프(named pipe)

파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프
클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프 제공
여러 파이프 동시에 사용 가능
컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신 가능

그림처럼 서버용 파이프와 클라이언트용 파이프로 구분해서 작동하며, 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신한다.

메시지 큐

메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것
커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리됨.
장점
- 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 매우 직관적이고 간단
- 다른 코드의 수정 없이 단지 몇줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있음
  
  공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.

3.3.6 스레드와 멀티스레딩

스레드

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

프로세스 : 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성
스레드 : 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유. 그 외 영역은 각각 생성

멀티스레딩

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법.
장점
- 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음
  - 예) 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우, 훨씬 적은 리소스를 소비. 또한 한 스레드가 blocked 되어도 다른 스레드는 running 상태일 수 있어 중단되지 않은 빠른 일처리가 가능하다.
- 동시성이 좋음(동시성 : 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것)
단점
- 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다.

멀티스레드의 예 : 웹 브라우저의 렌더러 프로세스. 메인스레드, 워커 스레드, 컴포지터 스레드, 레스터 스레드가 존재한다.

3.3.7 공유 자원과 임계 영역

공유 자원(shared resource)

시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수
-경쟁 상태(race condition) : 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황. 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태.

종선코인 100개가 있다고 할 때, 프로세스 A와 프로세스 B가 동시에 접근하여 타이밍이 서로 꼬여 정상 결괏값은 300인데 200이 출력된다.

임계 영역(critical section)

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역.
임계 영역 해결 방법 : 뮤텍스, 세마포어, 모니터
- 세 가지 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족한다.
- 잠금(lock)은 이 방법의 토대가 되는 메커니즘이다.
  - 예) 임계 영역을 화장실이하고 가정하면, A가 들어가 문을 잠근다. 그 다음 사람이 기다리다 A가 나오면 사용한다.

상호 배제 : 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스가 들어갈 수 없음

한정 대기 : 특성 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 됨

융통성 : 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 됨

뮤텍스(mutex)

프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체.
잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대이다.
잠금 또는 잠금 해제라는 상태만 가진다.

세마포어(semaphore)

일반화된 뮤텍스.
간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수) 및 signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리
wait() : 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
signal() : 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행
프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 signal() 작업을 수행
세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없음

바이너리 세마포어

0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어

구현의 유사성으로 뮤텍스를 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만.. 엄밀히 말하자면 다르다.

뮤텍스 : 잠금 메커니즘. 잠금을 기반으로 상호배제 일어남

세마포어 : 신호 메커니즘. 신호를 기반으로 상호 배제가 일어남(노래 듣다가 전화오면 노래 중지되고 통화 인터페이스가 등장하는 것)

카운팅 세마포어

여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어

여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용

모니터

둘 이상의 스레드가 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공.
그림처럼 모니터는 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들은 순차적으로 처리한다.
모니터는 세마포어보다 구현이 쉽다
모니터에서 상호 배제는 자동이지만, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 한다.

3.3.8 교착 상태(deadlock)

두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
ex) 프로세스 a가 프로세스 b의 어떤 자원을 요청할 때, b도 a가 점유하고 있는 자원을 요청하는 것.

교착 상태의 원인

상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들이 접근 불가능
점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
환형 대기 : 프로세스 a는 프로세스 b의 자원을 요구하고, 프로세스 b는 프로세스 a의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

교착 상태 해결 방법

자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않게 한다
교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘을 쓴다.
교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다
교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. 현대 운영체제는 이 방법을 채택했다.

은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당된 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘

Reference

주홍철 작가님의 '면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성되었습니다.

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