[면접을 위한 CS 지식 노트] Process & Thread

해당 포스트는 '면접을 위한 CS 전공지식 노트: 주홍철 지음' 책을 참고하였습니다.

프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 의미하고, 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.

프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 말한다.

전처리 과정에서는 소스코드의 주석을 제거하고 헤더 파일을 병합한다. 다음으로 컴파일러는 오류를 처리하고 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다. 다음으로 어셈블러에서는 어셈블리어를 목적 코드(object)로 변환한다. 리눅스에서는 .o를 쓴다. 이 목적 코드를 링크에서는 실행 파일로 만들어준다.

프로세스의 상태

프로세스의 상태는 여러 가지 값을 갖는다.

생성 상태

프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork(), exec() 함수를 통해 생성한다. fork() 함수는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. 주소 공간만 복수할 뿐 다른 것을 상속받지는 않는다. exec() 함수는 프로세스를 새롭게 생성하는 함수이다.

대기 상태

대기 상태는 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 안면 대기 상태를 한다. CPU 스케쥴러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.

대기 중단 상태

대기 중단 상태는 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

실행 상태

실행 상태는 CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미한다.

중단 상태

중단 상태는 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태를 의미한다. I/O 디바이스에 의해 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생한다.

일시 중단 상태

일시 중단 상태는 대기 중단과 유사하다. 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

종료 상태

종료 상태는 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다. 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 종료도 포함된다.

프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.

스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다. 스택과 힙은 동적 할당이 되며, 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것을 의미한다. 스택은 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역이다. 힙은 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 사용된다. 예를 들어 vector은 내부적으로 힙 영역을 사용한다.

데이터와 코드영역은 정적 할당이 되는 영역이다. 데이터 영역은 BSS segment와 Data segment, text segment로 나눠지는데 BSS는 전역변수, static, const로 선언되어 있고 0 으로 초기화가 되어있는 변수들이 할당되며 Data는 0이 아닌 값으로 초기화가 되어있는 변수가 할당된다. text에는 프로그램의 코드가 들어간다.

PCB

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭은 PCB를 교환하는 과정을 말한다. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 컴퓨터는 단 하나의 프로세스만 실행하기 때문에 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되어 우리 눈에는 컴퓨터가 동시에 많은 프로세스를 실행하는 것처럼 보인다.

멀티 프로세싱

멀티 프로세싱은 여러 개의 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있다. 신뢰성이 높은 강점이 있다.

웹 브라우저

웹 브라우저는 멀티 프로세스 구조를 가지고 있다. 브라우저 프로세스, 렌더러 프로세스, 플러그인 프로세스, GPU 프러세스로 구성되어 각 제어하는 것이 다르다.

IPC

멀티프로세스는 IPC가 가능한데 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다. 클라이언트와 서버를 예로 들 수 있는데 이것도 IPC의 한 예이다. IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다.

• 공유 메모리: 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해 통신하는 것을 의미한다.

• 파일: 디스크에 저장된 데이커 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 의미한다.

• 소켓: TCP UDP

• 익명 파이프: FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받는다. 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다.

• 명명 파이프: 클라이언트 / 서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하여 여러 파이플르 동시에 사용할 수 있다.

• 메시지 큐: 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 다은 코드의 수정 없이 몇 줄 코드를 추가시켜 간단하게 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다.

스레드와 멀티스레딩

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있다. 멀티 스레딩 은 프로세스 내의 작업을 여러 개의 스레드, 멀티 스레드로 처리하는 기법이다. 이 방식은 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다. 멀티 스레드의 예로는 웹 브라우저의 렌더러 프로세스를 예로 들 수 있다.

공유 자원과 임계 영역

공유 자원

공유 자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수를 의미한다. 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다.

임계 영역

임계 영역은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다. 이것을 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있다. 이 세가지의 토대가 되는 메커니즘이 lock이다.

• 뮤텍스: 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock을 통해 잠금 해체하는 객체를 의미한다.

• 세마포어: 일반화된 뮤텍스이다. wait() 과 signal() 함수를 이용하여 공유 자원 접근을 처리한다. wait()은 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.

• 모니터: 모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대한 인터페이스만 제공한다.

교착 상태

교착 상태는 deadlock이라고도 하며 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다. 예를 들어 프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 프로세스 A가 점유하고 있는 자원을 요청하는 것이다.

교착 상태의 원인

• 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있다.
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태이다.
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
• 환형 대기: 서로의 자원을 요구하는 상황을 의미한다.

교착 상태의 해결 방법

• 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
• 교착 상태 가능성이 없을 때에만 자원 할당하며, 프로세스당 요청할 자원들의 최재치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악한다.
• 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한개씩 지운다.
• 사용자가 작업을 종료한다.