프로세스 vs 스레드
프로세스
- 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
- CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)
- 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것
스레드
- 프로세스 내 작업의 흐름
프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되고, 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행함
컴파일 과정
C 언어 기반 프로그램 기준: 컴파일러가 컴파일 과정을 통해 프로그램을 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만듦
프로세스의 상태
생성 상태 (create)
프로세스가 생성된 상태로, fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성함
이때 PCB가 할당됨
fork()
부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않음
exec()
새롭게 프로세스를 생성하는 함수
대기 상태 (ready)
메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고, 그렇지 않으면 아닌 상태로 대기하고 있으며, 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
CPU burst가 일어났다고도 표현함
중단 상태 (blocked)
어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 발생하기도 함
일시 중단 상태 (blocked suspended)
중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만, 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
종료 상태 (terminated)
메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
자연스러운 종료도 있고, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제로 종료하는 비자발적 종료도 있음
비자발적 종료(abort): 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나, 부모 프로세스가 종료되거나, 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생
프로세스의 메모리 구조
운영체제는 아래 구조를 기반으로 프로세스에 적절한 메모리를 할당함
스택과 힙은 동적 할당(런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것), 데이터 영역과 코드 영역은 정적 할당(컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것)
스택
- 위 주소부터 할당됨
- 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역
- 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등의 정보가 스택에 저장됨
- 재귀 함수 호출 시 매번 새로운 스택 프레임이 사용됨
힙
- 동적으로 할당되는 변수를 담음
malloc(),free()함수를 통해 관리- 동적으로 관리되는 자료 구조(ex. vector)가 힙 영역을 사용
데이터 영역
- BSS segment
- 전역 변수
- static이나 const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화되지 않은 변수
- Data segment
- static이나 const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수
코드 영역
- code/text segment: 프로그램의 코드
PCB
- Process Control Block: 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터
- 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고, 프로세스 주소값들에 메모리가 할당되고, 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리됨
- 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있으므로 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됨
PCB의 구조
프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등, 프로세스 권한, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, CPU 스케줄링 정보, 계정 정보, I/O 상태 정보로 이루어짐
컨텍스트 스위칭
- PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정
- 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생
- 프로세스 A를 실행하다 인터럽트 또는 시스템콜이 발생
- A를 중단하고 PCB를 저장한 후 프로세스 B를 로드
- B를 실행하다 인터럽트 또는 시스템콜이 발생하면 B의 PCB를 저장하고 A의 PCB 로드
비용
- 유휴 시간(idle time): 한 프로세스의 PCB를 저장하고 다른 프로세스의 PCB를 로드하기까지 걸리는 시간
- 캐시미스: 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소를 없애는 캐시클리어 과정이 일어남
스레드에서의 컨텍스트 스위칭
스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭은 비용과 시간이 더 적게 듦
멀티프로세싱
여러 개의 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
장점
- 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있음
- 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 있어도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높음
스레드와 멀티스레딩
스레드
프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위로, 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음
스레드는 코드, 데이터, 힙을 공유하고, 그외의 영역은 각각 생성함
멀티스레딩
프로세스 내 작업을 멀티스레드로 처리하는 기법
장점
- 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음
- 적은 리소스 소비
- 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드는 실행(running) 상태일 수 있어 빠른 처리 가능
- 동시성: 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여줌
단점
- 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있음
공유 자원과 임계 영역
공유 자원
시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미함
경쟁 상태: 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황
임계 영역
둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역
임계 영역을 해결하기 위한 방법
뮤텍스, 세마포어, 모니터: 잠금(lock) 매커니즘 기반이며, 상호배제(한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없음), 한정 대기(특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안됨), 융통성(어떠한 프로세스도 임계 영역을 사용하지 않으면 임계 영역 외부의 어떠한 프로세스도 들어갈 수 있고, 이때 프로세스끼리 방해하지 않음) 조건을 만족함
뮤텍스
- 프로세스나 스레드가 공유자원을
lock()을 통해 잠금 설정하고, 사용한 후에는unlock()을 통해 잠금 해제함 - 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고, 해제는 그와 반대임
- 잠금 또는 잠근 해제라는 상태만 가짐
세마포어
- 일반화된 뮤텍스
- 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서
wait()을 수행하고, 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서signal()을 수행함 - 조건 변수가 없음
- 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없음
wait(): 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
signal(): 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
모니터
- 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
- 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리
- 세마포어보다 구현하기 쉬움
- 상호 배제는 자동임
교착 상태
deadlock: 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
ex) 프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때, 프로세스 B도 프로세스 A가 점유하고 있는 자원을 요청하는 것
원인
- 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가
- 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
- 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제로 가져올 수 없음
- 환형 대기: 서로가 서로으 자원을 요구하는 상황
해결 방법
- 자원을 할당할 때 조건이 성립되지 않도록 설계
- 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘(총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘)을 이용
- 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지움
- 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료함
