프로세스와 스레드
프로세스
컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램.
CPU 스케줄링의 대상이 되는 Task를 의미.
스레드
프로세스 내 작업의 흐름
프로세스와 컴파일 과정
프로그램 - 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일
소스 코드 파일 - 전처리 - 컴파일러 - 어셈블리어 - 어셈블러 - 링커
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전처리
소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합. -
컴파일러
오류 처리, 코드 최적화 작업 후 코드를 어셈블리어로 변환 -
어셈블러
어셈블리어로 변환한 코드를 object code로 변환. -
링커
프로그램 내 라이브러리 또는 다른 object code와 결합하여 실행 파일 제작
+) 정적 라이브러리와 동적 라이브러리
정적: 프로그램 빌드 시 라이브러리 모든 코드를 실행 파일에 넣음 (외부 의존도, 메모리 효율성 낮음)
동적: 프로그램 실행 시 필요할 때만 함수를 참조(외부 의존도 높고 메모리 효율성 좋음)
프로세스의 상태
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생성 상태
프로세스가 생성된 상태
fork(): 부모 프로세스 주소 공간 복사해 자식 프로세스 생성
exec(): 새로운 프로세스 생성 -
대기 상태
메모리 공간이 충분하면 할당받고 아니면 대기하는 상태(CPU 소유권 기다림) -
대기 중단 상태
메모리 부족으로 일시 중단된 상태 -
실행 상태
CPU 소유권과 메모리를 할당받고 작업을 수행 중인 상태.
CPU burst 일어났다고도 한다. -
중단 상태
어떤 이벤트가 발생한 후 기다리며 프로세스가 차단된 상태.
I/O 디바이스 인터럽트에 의해 주로 발생함 -
일시 중단 상태
대기 중단과 유사하나, 중단된 상태에서 재실행하려 했으나 메모리가 부족한 상태 -
종료 상태
메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태. 자발적 종료와 비자발적 종료(부모 프로세스가 자식 프로세스 강제로 종료)가 있음.
프로세스의 메모리 구조
- 스택
- 지역변수, 매개변수, 함수 저장.
- 컴파일 시에 크기가 결정되며 동적 특징을 갖는다.
- 재귀 호출 등에 의해 크기가 늘어날 수 있으며 힙과 메모리 영역 겹치면 안되기 때문에 사이에 여유공간을 둠.
- 힙
- 동적 할당에 사용
- 데이터 영역
- 전역변수, 정적변수 저장
- 프로그램(정적)이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역
- BSS영역(0으로 초기화)과 Data영역(0 아닌 다른 값 초기화)으로 나뉨
- 코드 영역
- 프로그램에 내장된 소스 코드가 들어가는 영역이며 정적.
PCB
PCB(Process Control Block): 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터.
프로그램 실행되면 프로세스 생성 - 메모리 할당 - PCB 생성해 관리 (커널)
PCB의 구조
- 프로세스 스케줄링 상태 - 준비, 일시중단 등 스케줄링 정보
- 프로세스 ID - 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
- 프로세스 권한 - 컴퓨터 자원, I/O 디바이스 권한 등
- 프로그램 카운터 - 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
- CPU 레지스터 - 프로세스 실행에 필요한 레지스터 정보
- CPU 스케줄링 정보
- 계정 정보
- I/O 상태 정보
컨텍스트 스위칭
PCB를 교환하는 과정으로 프로세스 할당된 시간 끝나거나 인터럽트에 의해 발생
어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 하나이며 (싱글코어 기준) 빠른 속도로 컨텍스트 스위칭이 발생함
멀티프로세싱
여러 개의 프로세스, 즉 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것.
하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 프로세스 중 일부에 문제가 생겨도 다른 프로세스로 처리 가능해 신뢰성 높음
ex) 웹 브라우저
- 브라우저 프로세스 (상단 UI 및 네트워크, 파일 접근)
- 렌더러 프로세스 (View 제어)
- 플러그인 프로세스 (플러그인)
- GPU 프로세스 (GPU로 그리는 부분)
IPC - 프로세스끼리 데이터 주고받고 공유 데이터 관리하는 매커니즘
ex) 공유 메모리, 메시지 큐, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프 등
- 공유 메모리 - 여러 프로세스에 동일한 메모리 접근 권한. 빠르지만 동기화 필요
- 메시지 큐 - 메시지를 큐 형태로 관리.
- 소켓 - 네트워크 인터페이스를 통해 전송 (TCP, UDP)
- 익명 파이프 - 단방향 공간인 파이프(FIFO기반)를 통해 작동. 부모 자식 프로세스 간에만 사용 가능.
- 명명 파이프 - 파이프 서버와 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프.
스레드와 멀티스레딩
스레드 - 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위. 코드, 데이터, 스택, 힙 영역을 각각 생성하는 프로세스와 달리 스레드를 서로 공유함.
멀티 스레딩 - 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 처리하는 기법.
장점: 자원 효율성 높고 한 스레드 중단되어도 다른 스레드로 처리 가능
단점: 한 스레드에 문제 생기면 다른 스레드에도 영향 - 프로세스에 영향
공유 자원과 임계 영역
공유 자원 - 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원이나 변수
경쟁 상태 - 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽고 쓰는 상황
임계 영역 - 접근 순서 등의 이유로 결과가 달라질 수 있는 영역
해결 방법: 뮤텍스, 세마포어, 모니터.
조건
- 상호 배제: 한 프로세스가 임계 영역 들어가면 다른 프로세스는 불가
- 한정 대기: 특정 프로세스가 영원히 임계 영역 못들어가선 안됨
- 융통성: 한 프로세스가 다른 프로세스 방해해선 안됨
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뮤텍스
공유 자원 사용 전에 설정하고 사용 후에 해제하는 잠금장치 역할.
하나의 잠금 상태만을 가짐 -
세마포어
일반화된 뮤텍스.
wait() - 자신의 차례까지 기다림.
signal() - 다음 프로세스로 순서 넘김.- 바이너리 세마포어: 뮤텍스와 같이 0과 1 두 가지 값만 가지는 세마포어
- 카운팅 세마포어: 여러 값으로 여러 자원에 대한 값에 대한 접근을 제어.
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모니터
공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대한 인터페이스만 제공
상호 배제가 자동으로 됨(모니터 내부 큐에 작업 추가 방식)
교착 상태
교착 상태 - 두 개 이상의 프로세스들이 서로의 자원을 기다리며 중단된 상태
원인
- 상호 배제: 한 프로세스가 자원 독점한 상태
- 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청
- 비선점: 다른 프로세스 자원 강제로 가져올 수 없음
- 환형 대기: A가 B의 자원을 요구하고 B는 A의 자원을 요구하는 등 Circular하게 자원을 요구하는 상황
해결 방법
- 교착 상태 가능성 없을 때만 자원 할당 + 은행원 알고리즘(프로세스당 요청 자원 최대치로 할당 가능 여부 판단)
- 교착 상태 발생 시 사이클 찾아보고 프로세스 한 개씩 지움
- 사용자가 작업 종료(처리 비용이 더 듦)
