프로세스 (Process)
프로세스란 실행중인 프로그램으로, 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다. 운영체제로부터 주소공간, 파일, 메모리 등을 할당받고, 이들을 총칭하여 프로세스라 칭한다. 구체적으로 살펴보면 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀주소, 로컬변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함한다. 또한 프로세스는 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.
프로세스 제어 블록 (Process Control Block, PCB)
PCB는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조이다. 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다. 프로세스는 CPU를 할당받아 처리하다가 프로세스 전환이 발행하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환하는데, 이 때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어 있던 내용을 불러와 이전에 종료되었던 시점부터 다시 작업을 수행한다.
PCB가 포함하고 있는 정보
- 프로세스 식별자(Process ID): 프로세스 식별변호
- 프로세스 상태(Process State): 생성(create), 준비(ready), 실행(running), 대기(waiting), 완료(terminated) 상태 등.
- 프로그램 계수기(Program Counter): 해당 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
- CPU 레지스터 및 일반 레지스터
- CPU 스케줄링 정보: 우선 순위, 최종 실행시각, CPU 점유시간 등
- 메모리 관리 정보: 해당 프로세스의 주소 공간 등
- 프로세스 계정 정보: 페이지 테이블, 스케줄링 큐 포인터, 소유자, 부모 등
- 입출력 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력장치 목록, 열린 파일 목록 등
프로세스 생성 과정
- PCB 생성, OS가 실행한 프로그램의 코드를 읽어들여 프로세스에 할당된 메모리의 Test segment에 저장한다.
- 초기화된 전역 변수 및 static 변수를 data segment에 할당한다.
- HEAP과 Stack은 초기 메모리 주소만 초기화된다.
- PCB에 여러 정보가 기록되면 Ready Queue에 CPU를 할당받기까지 대기한다.
스레드(Thread)
스레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위(실행 단위)이다.
스레드는 프로세스와 마찬가지로 하나의 실행 흐름이므로 스택과 같은 데이터가 필요하다. 따라서 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성되어 있다. 코드, 데이터, 파일과 같은 운영체제 자원은 프로세스 내의 다른 스레드와 공유한다.
스레드 종류
스레드는 지원하는 주체에 따라 2가지로 나뉜다.
- 사용자 레벨 스레드 (User-Level Thread)
커널 영역의 상위에서 지원된다. 일반적으로 사용자 레벨의 라이브러리를 통해 구현되며, 라이브러리는 스레드의 생성 및 스케줄링 등에 관한 관리 기능을 제공한다.
- 커널 레벨 스레드 (Kernel-Level Thread)
운영체제가 지원하는 스레드 기능으로 구현된다. 커널이 스레드의 생성 및 스케줄링 등을 관리한다.
멀티스레드
멀티스레딩이란 하나의 프로세스를 다수의 실행단위(스레드)로 구분하여 자원을 공유하고, 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행능력을 향상시키는 것을 말한다. 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터값을 가지고 있다.
스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이다. 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것을 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고, 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.
PC Register를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
PC 레지스터 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다. 스레드는 CPU를 할당받았다가 일정 작업 처리 후 또는 일정 시간 후 CPU를 반납하고, 추후에 스케줄러에 의해 다시 CPU를 할당받는다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.
멀티스레딩의 장점
- 응답성
대화형 프로그램을 멀티스레드화하면, 프로그램의 일부분(스레드)이 중단되거나 긴 작업을 수행하더라도 해당 프로세스의 다른 스레드가 계속 수행되기 때문에 사용자에 대한 응답성이 증가된다.
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자원 공유
스레드 간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는것이 아닌 전역변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap 영역을 이용하여 데이터를 주고 받을 수 있다. 그렇기 때문에 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 간의 통신방법이 훨씬 간단하다. -
경제성
스레드는 그들이 속한 프로세스의 자원과 메모리를 공유하기 때문에, 같은 작업을 프로세스로 구현할 경우에 대비하여 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어든다. 심지어 스레드의 context switch는 프로세스 context switch와는 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠르다. 따라서 시스템의 throughtput(처리량)이 향상되고 자원 소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램의 응답시간이 단축된다. -
멀티프로세서 활용
멀티프로세서 구조에서는 각각의 스레드가 다른 프로세서에서 병렬로 수행될 수 있다. 단일 스레드 프로세스는 CPU가 많아도 CPU 한개에서만 실행된다. 즉, 다중 스레드화 하면 다중 CPU에서 병렬성이 증가된다.
멀티스레딩의 문제점
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다중 스레드는 캐시나 변환 색인 버퍼(TLB)와 같은 하드웨어 리소스를 공유할 때 서로 간섭할 수 있다. 따라서 서로 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하면 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다.
- 이를 극복하기 위해 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤하는 것이다. 하지만 이로 인해 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다. 그러므로 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 한다.
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하나의 스레드만 실행중인 경우, 싱글 스레드의 실행시간이 개선되지 않고 오히려 지연될 수 있다.
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멀티스레딩의 하드웨어 지원을 위해 응용 프로그램과 운영체제 둘 다 충분한 변화가 필요하다.
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스레드 스케줄링은 멀티스레딩의 주요 문제이다.
멀티 스레드 vs 멀티 프로세스
멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 안고있다.
반면, 멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 있다.
이 두 가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.
프로세스 동기화
프로세스 동기화
하나의 자원을 한 순간에 하나의 프로세스만이 이용하도록 제어하는 것
스레드 동기화
하나의 코드블록 또는 메소드를 한 순간에 하나의 스레드만이 이용하도록 보장하는 것
Critical Section (임계영역)
멀티스레딩의 문제점에서 나오듯, 동일한 자원을 동시에 접근하는 작업(e.g. 공유하는 변수 사용, 동일 파일을 사용하는 등)을 실행하는 코드 영역을 Critical Section이라 칭한다.
Critical Section Problem (임계영역 문제)
프로세스들이 Critical Section을 함께 사용할 수 있는 프로토콜을 설계하는 것이다.
Requirements (해결을 위한 기본조건)
- Mutual Exclusion (상호 배제)
프로세스 P1이 Critical Section에서 실행중이라면, 다른 프로세스들은 그들이 가진 Critical Section에서 실행될 수 없다. - Process (진행)
Critical Section에서 실행중이 프로세스가 없고, 별도의 동작이 없는 프로세스들만 Critical Section 진입 후보로서 참여될 수 있다. - Bounded Waiting (한정된 대기)
P1이 Critical Section에 진입 요청 후 부터 받아들여질 때 까지 다른 프로세스들이 Critical Section에 진입하는 횟수는 제한이 있어야 한다.
해결책
1. Lock
하드웨어 기반의 해결책으로써, 동시에 공유자원에 접근하는 것을 막기 위해 Critical Section에 진입하는 프로세스는 Lock을 획득하고, Critical Section을 빠져나올 때 Lock을 방출함으로써 동시에 접근이 되지 않도록 한다.
한계
다중처리기 환경에서는 시간적인 효율성 측면에서 적용할 수 없다.
2. Semaphores (세마포어)
소프트웨어상에서 Critical Section 문제를 해결하기 위한 동기화 도구
종류
OS는 Counting/Binary 세마포어를 구분한다.
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카운팅 세마포어
가용한 개수를 가진 자원에 대한 접근 제어용으로 사용되며, 세마포어는 그 가용한 자원의 개수로 초기화된다. 자원을 사용하면 세마포어가 감소, 방출하면 세마포어가 증가한다. -
이진 세마포어 (Mutex)
MUTEX라고도 부르며, 상포 배제(Mutaul Exclusion)의 머릿글자를 따서 만들어졌다. 이름 그대로 0과 1 사이의 값만 가능하며, 다중 프로세스들 사이의 Critical Section 문제를 해결하기 위해 사용한다.
단점
- Busy Waiting (바쁜 대기)
Spin lock이라고 불리는 Semaphore 초기버전에서 Critical Section에 진입해야 하는 프로세스는 진입 코드를 계속 반복 실행해야 하며, CPU 시간을 낭비했었다. 이를 Busy Waiting이라 부르며 특수한 상황이 아니면 비효율적이다. 일반적으로는 Semaphore에서 Critical Section에 진입을 시도했지만 실패한 프로세스에 대해 Block시킨 뒤, Critical Section에 자리가 날 때 다시 깨우는 방식을 사용한다. 이 경우 Busy waiting으로 인한 시간낭비 문제가 해결된다.
Deadlock (교착상태)
- 세마포어가 Ready Queue를 가지고 있고, 둘 이상의 프로세스가 Critical Section 진입을 무한정 기다리고 있고, Critical Section에서 실행되는 프로세스는 진입 대기중인 프로세스가 실행되야만 빠져나올 수 있는 상황을 지칭한다.
모니터
- 고급 언어의 설계 구조물로써, 개발자의 코드를 상호배제 하게끔 만든 추상화 데이터 형태이다.
- 공유자원에 접근하기 위한 키 획득과 자원 사용 후 해제를 모두 처리한다. (세마포어는 직접 키 해제와 공유자원 접근 처리가 필요하다.)
참고
https://github.com/JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner/blob/master/OS/README.md
https://ko.wikipedia.org/wiki/프로세스
https://ko.wikipedia.org/wiki/프로세스_제어_블록
https://ko.wikipedia.org/wiki/스레드_(컴퓨팅)
https://ko.wikipedia.org/wiki/멀티스레딩
https://galid1.tistory.com/479
