3.3 프로세스와 스레드

프로세스와 스레드

컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케쥴링의 대상이 되는 작업이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰임. 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭함.
프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케쥴러에 따라 CPU가 프로세스를 실행함.

프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화된 것을 말함. 프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것을 의미하며 컴파일 과정이란 다음과 같음.

전처리 과정 -> 컴파일 과정 -> 어셈블리 과정 -> 링킹과정

• 전처리
  소스코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환함.

• 컴파일러
  오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환함

• 어셈블러
  어셈블리어는 목적 코드로 변환됨. 이때 확장자는 운영체제마다 다른데 리눅스에서는 .o임

• 링커
  프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듦. 실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out임.

프로세스의 상태

생성 상태

프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성함. 이때 PCB가 할당됨.

• fork()
  부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수임. 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않음.

• exec()
  새롭게 프로세스를 생성하는 함수

대기 상태

대기 상태는 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케쥴러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태.

대기 중단 상태

대기 중단 상태는 메모리 부족으로 일시 중단된 상태.

실행 상태

CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행중인 상태를 의미함. 이를 PCU burst가 일어났다고도 표현함.

중단 상태

중단 상태는 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태임. I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 함. 예를 들어 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘듯할 때가 있는데, 바로 그 상태임.

일시 중단 상태

대기 중단과 유사하고 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리부족으로 일시 중단된 상태임.

종료 상태

메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태르 말함. 종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료로 종료되는 것도 있음. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process, kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생.

프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당함.
스택, 힙, 데이터 영역, 코드 영역으로 나누어지고, 스택은 위 주소부터 할당되며 힙은 아래 주소부터 할당됨.

스택

스택에는 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일시에 크기가 결정되며 '동적'인 특징을 가짐.
스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓음.

힙

동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정됨. 예를 들어 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당됨. 힙은 '동적'인 특징을 가짐.

데이터 영역

전역변수, 정적변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역임.
데이터 영역은 BSS 영역은 Data 영역으로 나뉘고, BSS 영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 Data 영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장됨.

코드 영역

프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역임. 이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 가짐.

PCB

운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말함. 프로세스 제어 블록이라고도 함. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성함.
프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당됨. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리됨. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됨.

• 메타데이터
  데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터임.

PCB의 구조

PCB는 프로세스 스케쥴링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보로 이루어져 있음.
프로세스 스케쥴링 상태, 프로세스 ID, 프로세스 권한, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, CPU 스케쥴링 정보, 계정 정보, I/O 상태 정보 등이 있음.

컨텍스트 스위칭

앞서 설명한 PCB를 교환하는 과정을 말함. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생함. 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문임.
참고로 사실 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명은 틀린 설명. 하지만 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어를 기준으로 설명함.

한 개의 프로세스 A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행함. 그리고 다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드함. 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 앞의 그림처럼 유휴 시간이 발생하는 것을 볼 수 있음. 이뿐만 아니라 이 컨텍스트 스위칭에 드는 비용이 더 있음. 바로 캐시미스임.

• 비용 : 캐시미스
  컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시 미스가 발생함.

• 스레드에서의 컨텍스트 스위칭
  참고로 이 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어남. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸림.

멀티프로세싱

멀티프로싱은 여러 개의 '프로세스', 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말함. 이를 통해 하나 이상의 일을 별렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있음.

웹 브라우저

멀티프로세스 구조를 가지고 있음.
브라우저 프로세스, 렌더러 프로세스, 플러그인 프로세스, GPU 프로세스 등이 있음.

IPC

멀티프로세스는 IPC(Inter Process Communication)가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻함.
클라이언트와 서버를 예로 들 수 있는데, 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것도 IPC의 예임.
IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프 명명 파이프, 메시지 큐가 있음. 이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐.

• 공유 메모리
  여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것을 말함.
  기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 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 빠르며 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요함.
  참고로 하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM을 가리키기도 함.

• 파일
  디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말함. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 함.

• 소켓
  동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있음.

• 익명 파이프
  프로세스간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말함.
  이는 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능함.

• 명명된 파이프
  파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말함. 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있음. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있음. 보통 서버용 파이프와 클라이언트용 파이프로 구분해서 작동하며 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신함.
  

• 메시지 큐
  메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미함. 이는 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있음. 공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 함.

스레드와 멀티스레딩

스레드

프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위로 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음.
코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터 힙은 스레드끼리 서로 고유하고 그 외의 영역은 각각 생성됨.

멀티스레딩

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기에 효율성이 높음. 예를 들어 웹 요처을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며, 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있기 떄문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능함. 또한, 동시성에도 큰 장점이 있음. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있음.

멀티스레드의 예로는 우베 브라우저의 렌더러 프로세스를 예로 들 수 있음. 이 프로세스 내에는 메인 스레드, 워커 스레드, 컴포지터 스레드, 레스터 스레드가 존재함.

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. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 함. 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태임.

임계 영역

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말함. 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족함. 이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 잠금임. 예를 들어 임계 영역을 화장실이라고 가정하면 화장실에 A라는 사람이 들어간 다음 문을 잠그고, 다음 사람이 이를 기다리다 A가 나오면 화장실을 쓰는 방법.

• 상호 배제
  한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스를 들어갈 수 없음.
• 한정 대기
  특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안됨.
• 융통성
  한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안됨.

뮤텍스

프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체임. 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대임. 또한 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가짐.

세마포어

일반화된 뮤텍스로, 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수라고도 함) 및 signal(V 함수라고도 함) 로 공유 자원에 대한 접근을 처리함.
wait()느 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수임.
프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행함. 세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없음.

• 바이너리 세마포어
  0과 1 두가지 값만 가질 수 있는 세마포어로 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만, 엄밀히 말하면 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 잠금 메너티즘이고 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 신호 메커니즘임. 여기서 신호 메커니즘은 휴대폰에서 노래를 듣다가 친구로부터 전화가 오면 노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는 것을 상상하면 됨.

• 카운팅 세마포어
  여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어로 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용됨.

모니터

둘 이상이 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공함.
뫼터는 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리함. 모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면에 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있음.

교착상태

두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말함.

교착상태의 원인

1. 상호 배제 : 한 프로세스가 자우너을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능함.
2. 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태임.
3. 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음.
4. 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 욕하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말함.

교착상태의 해결방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계함
2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 씀
3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지움
   4, 교착 상태는 매우드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료함. 현대 운영체제는 이 방법을 채택했음. 예를 들어 프로세스를 실행시키다 '응답 없음'이라고 뜰 때가 있는데 교착 상태가 발생한 경우에 이런 경우가 발생하기도 함.

• 은행원 알고리즘
  총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누도 안정 상태로 가도록 자원을 할당한느 알고리즘

CPU 스케쥴링 알고리즘

CPU 스케쥴러는 CPU 스케쥴링 알고리즘에 따라 프로세스에서 해야 하는 일을 스레드 단위로 CPU에 할당함.

프로그램이 실행될 때는 CPU 스케쥴링 알고리즘이 어떤 프로그램에 CPU 소유권을 줄 것인지 결정함. 이 알고리즘은 CPU 이용률은 높게, 주어진 시간에 많은 일을 하게, 준비 큐에 있는 프로세는 적게, 응답 시간은 짧게 설정하는 것을 목표로 함.

비선점형 방식

비선점형 방식은 프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식이며, 강제로 프로세스를 중지하지 않음. 따라서 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적음.

• FCFS
  가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘. 길게 수행되는 프로세스 때문에 준비 큐에서 오래 기다리는 콘보이 현상이 발생한다는 단점이 있음.

• SJF
  실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘임. 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 기아 현상이 일어나며 평균 대기 시간이 가장 짧음. 하지만 실제로는 실행 시간을 알 수 없기 때문에 과거의 실행했던 시간을 토대로 추측해서 사용함.

• 우선순위
  기존 SJF 스케쥴링의 경우 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상이 있었으나 이는 오래된 작업일수록 우선순위를 높이는 방법을 통해 단점을 보완한 알고리즘을 말함.

선점형 방식

선점형 방식은 현대 운영체제가 쓰는 방식으로 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식을 말함.

• 라운드 로빈
  현대 컴퓨터가 쓰는 스케쥴링인 우선순위 스케쥴링의 일종으로 각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 가는 알고리즘임.
  예를 들어 p만큼의 할당 시간이 부여되었고 N개의 프로세스가 운영된다고 하면 (N - 1) * q 시간이 지나면 자기 차례가 오게 됨. 할당 시간이 너무 크면 FCFS가 되고 짧으면 컨텍스트 스위칭이 잦아져서 오버헤드, 즉 비용이 커짐. 일반적으로 전체 작업 시간은 길어지지만 평균 응답 시간은 짧아진다는 특징이 있음. 또 이 알고리즘은 로드밸런서에서 트래픽 분산 알고리즘으로도 쓰임.

• SRF
  SJF는 중간에 실행 시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그다음 짧은 작업을 이어나가는데, SRF는 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘임.

• 다단계 큐
  우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케쥴링 알고리즘을 적용한 것을 말함. 큐 간의 프로세스 이동이 안되므로 스케쥴링 부담이 적지만 유연성이 떨어지는 특징이 있음.

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예상 질문

Q. 운영체제의 역할은?

1. CPU 스케쥴링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스의 생성과 삭제, 자원 할당 및 반환을 관리함.
2. 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼마큼 할당해야 하는지 관리함.
3. 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떠한 방법으로 보관할지 관리함.
4. I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스들인 마우스, 키보드 등과 컴퓨터 간에 데이터를 주고받는 것을 관리함.

Q. PCB란?

PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말함. 프로세스 제어 블록이라고도 함. 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성함.
프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당됨. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리됨. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됨.

Q. 메모리 계층이란?

레지스터, 캐시, 메모리, 저장장치로 구성되어 있음. 레지스터는 CPU 안에 있는 작은 메모리, 휘발성, 속도 가장 빠름, 기억 용량이 가장 낮음. 캐시로는 L1, L2 캐시를 지칭하며 휘발성, 속도 빠름, 기억 용량이 낮음. 참고로 L3 캐시도 있음. 주기억장치로는 RAM을 가리킴. 휘발성, 속도 보통, 기억 용량이 보통임. 보조기억장치로는 HDD, SSD를 일컬으며 비휘발성, 속도 낮음, 기억 용량 높음.