프로세스와 스레드
💡 운영체제 란?
운영체제(OS, Operating System)는 사용자가 컴퓨터를 쉽게 다루게 해주는 인터페이스
- 한정된 메모리나 시스템 자원을 효율적으로 분배하는 일꾼
💡 프로세스 란?
프로세스(process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)
- 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것
💡 스레드 란?
프로세스 내 작업의 흐름
프로세스와 컴파일 과정
💡 컴파일 (compile) 이란?
인간이 이해할 수 있는 언어로 작성된 소스코드(C,Java등)를 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하는 작업을 말함
전처리
소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환
컴파일러
오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환
어셈블러
어셈블리어를 목적 코드(object code) 로 변환
- 확장자 :
.o
링커
프로그램 내의 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합해 실행 파일을 만듦
- 확장자 :
.exe,.out
🔗 정적 라이브러리
- 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
- 👍 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮음
- 👎 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어짐
🔗 동적 라이브러리
- 프로그램 실행 시 필요할 때만 DDL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식
- 👍 메모리 효율성
- 👎 외부 의존도가 높음
프로세스의 상태
생성(create)
프로세스가 생성된 상태로 PCB가 할당됨
- fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성
fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하여 자식 프로세스 생성
- 부모의 비동기 작업 등은 상속하지 않음
exec() : 새롭게 프로세스 생성
대기(ready)
CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태
- 메모리 공간 충분 -> 메모리 할당
- 메모리 공간 충분 ❌ -> 대기 상태
대기 중단(ready suspended)
메모리 부족으로 일시 중단된 상태
실행(running)
CPU 소유권과 메모리를 항당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태
- CPU burst가 일어났다고도 표현
중단(blocked)
어떤 이벤트로 인해 기다리며 프로세스가 차단된 상태
- I/O 디바이스에 의한 인터럽트
일시 중단(blocked suspended)
중단(blocked) 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
종료(terminated)
메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
- 자발적 종료와 비자발적 종료
프로세스의 메모리 구조
스택
지역변수, 매개변수, 리턴값, 실행되는 함수 등 잠시 사용되었다가 사라지는 데이터가 저장됨
- 런다임 단계에서 메모리를 할당 받는 동적 할당
- 스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있음
👉 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워놓음
힙
동적으로 할당되는 변수들을 담음
- malloc(), free() 함수를 통해 관리
- vector와 같이 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 사용됨
데이터 영역
데이터 영역은 전역변수, 정적변수가 저장되고 정적인 특징을 가짐
- 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역
🔗 BSS segment : 0으로 초기화 또는 초기화가 되지 않은 변수들
🔗 Data segment : 0이 아닌 값으로 초기화된 변수들
코드 영역
코드 영역은 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역
- 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 가짐
PCB
💡 PCB (Process Control Block) 이란?
운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터로, 프로세스 제어 블록으로 불림
- 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB 생성
- 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리
메타데이터: 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 부여되는 데이터
PCB 구조
| 정보 | 설명 |
|---|---|
| 프로세스 스케줄링 상태 | 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태 |
| 프로세스 ID | 프로세스 ID, 해당 프로세스 |
| 프로세스 권한 | 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보 |
| 프로세스 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) 이란?
PCB를 교환하는 과정으로, 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생
컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만, 어떠한 시점에 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며, 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문에 마치 동시 실행으로 보임
❗️ 컨텍스트 스위칭에는 캐시미스라는 비용이 듦
캐시미스 : 잘못된 주소 변환을 막기 위해 캐시 클리어 과정을 겪음으로써 발생
- 스레드에서도 발생
- 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하므로 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸림
멀티프로세싱
💡 멀티프로세싱 이란?
여러 개의 프로세스, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
- 하나 이상의 일을 병렬로 처리 가능
- 일부 프로세스에 문제가 발생해도 다른 프로세스로 처리 가능하므로 신뢰성이 높음
🔗 웹 브라우저
- 브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당
- 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 '보이는'부분의 모든 것을 제어
- 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어
플러그인: 컴퓨터(소프트웨어)에 추가 기능을 설치하기 위한 확장 소프트웨어 또는 장치 - GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어
GPU (graphics proccessing unit): 그래픽처리장치로 그래픽 작업을 처리하기 위해 개발됨
IPC
💡 IPC (Inter Process Communication) 이란?
프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
- ex) 클라이언트와 서버
- 종류 : 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐
- 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐
🔗 공유 메모리 (shared memory)
프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신
- 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여
- 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아니므로 가장 빠르며 동기화가 필요
🔗 파일 (file)
디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 기반으로 프로세스 간 통신
🔗 소켓 (socket)
네트워크 인터페이스트 통해 전송하는 데이터를 의미
- TCP와 UDP
🔗 익명 파이프 (unnamed pipe)
프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받음
- 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어 작동하는 방식
- 부모, 자식 프로세스 간에만 사용 가능 (네크워크상 ❌)
🔗 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 동시 사용 가능
- 네트워크상의 컴퓨터와도 통신 가능
🔗 메시지 큐 (message queue)
메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것
- 커널에서 전역적으로 관리됨
- 사용 방법이 매우 직관적이고 간단
스레드와 멀티스레딩
스레드
💡 스레드 (thread) 란?
프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위로, 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음
- 스레드끼리는 코드, 데이터, 힙은 공유됨
- 스택은 ❌
멀티스레딩
💡 멀티스레딩 (multi-threading) 이란?
프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법
- 👍 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음
- 👍 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 동시성의 장점
- 👎 스레드로 이루어져 있는 프로세스끼리 서로 영향을 줄 수 있다는 단점
공유 자원과 임계 영역
공유 자원
💡 공유 자원 (shared resource) 이란?
시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원이나 변수
👉 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태 (race condition)
임계 영역
💡 임계 영역 (critical section) 이란?
둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역
- 임계 영역을 해결하기 위한 매커니즘으로
lock활용- 뮤텍스, 세마포어, 모니터
🔗 뮤텍스 (mutex)
프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체
👉 잠금 또는 잠금 하제라는 상태만을 가짐
🔗 세마포어 (semaphore)
일반화된 뮤텍스로, 간단한 정수 값과 두가지 함수 wait & signal로 공유 자원에 대한 접근 처리
👉 조건 변수가 없고 한 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 방해 불가능
- wait() : 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
- signal() : 다른 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
뮤텍스 VS 세마포어
뮤텍스 : 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 잠금 매커니즘
세마포어 : 신호을 기반으로 상호배제가 일어나는 신호 매커니즘
🖇️ 바이너리 세마포어 : 0과 1의 두가지 값만 가질 수 있는 세마포어
🖇️ 카운팅 세마포어 : 여러 개의 값을 가질 수 있어, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용되는 세마포어
🔗 모니터 (monitor)
공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
👉 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리
모니터 VS 세마포어
모니터 : 자동 상호배제
세마포어 : 명시적으로 구현하는 상호배제
교착 상태
💡 교착 상태 (deadlock) 이란?
두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
⭐️ 교착 상태의 원인
- 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스는 접근이 불가능
- 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
- 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
- 환형 대기: 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황
👉👉 교착 상태의 해결 방법
- 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
- 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는
은행원 알고리즘사용 - 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지움
- ❗️ 교착 상태는 매우 드물게 일어나고 비용이 크기 때문에 현대 운영체제에서는 사용자가 작업을 종료하는 방법을 채택
은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘
CPU 스케줄링 알고리즘
💡 CPU 스케줄러 는 CPU 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스에서 해야 하는 일을 스레드 단위로 CPU에 할당함
👉 알고리즘의 목표
- CPU 이용률은 높게
- 주어진 시간에 많은 일을 하게
- 준비 큐(ready queue)에 있는 프로세스는 적게
- 응답 시간을 짧게
비선점형 방식
💡 비선점형 방식 (non-preemtive) 이란?
프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식으로, 강제로 프로세스를 중지하지 않음
👉 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적음
FCFS
💡 FCFS (First Come First Served) 이란?
가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘
convey effect발생 : 준비 큐에서 오래 기다리는 현상
SJF
💡 SJF (Shortest Job First) 이란?
실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘
- 평균 대기 시간이 가장 짧음
starvation발생 : 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상
우선순위
SJF 스케줄링의 단점을 aging 을 통해 보완한 알고리즘
- 오래된 작업일수록 우선순위를 높임
선점형 방식
💡 선점형 방식 (preemtive) 이란?
지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식
- 현대 운영체재가 쓰는 방식
라운드 로빈
💡 라운드 로빈 (RR, Round Robin) 이란?
각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 가는 알고리즘
- 할당 시간이 너무 크면 FCFS가됨
- 할당 시간이 너무 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아져서 오버헤드가 커짐
- 일반적으로 전체 작업 시간을 길어지지만 평균 응답 시간은 짧아짐
- 로브밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 쓰임
SRF
💡 SRF (Shortest Remaining Time First) 이란?
중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘
다단계 큐
💡 다단계 큐 란?
우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것
- 큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케줄링 부담이 적음
- 유연성이 떨어짐
