[CS] 운영체제 - 프로세스와 스레드

Janet·2023년 8월 25일
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프로세스와 스레드

프로세스(Process)

  • 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말한다.
  • CPU 스케쥴링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다.

스레드(Thread)

  • 프로세스 내에서 실행되는 작업 흐름의 단위를 말한다.
  • 스레드는 프로세스의 주소 공간이나 시스템 자원을 공유하면서 동작하므로, 프로세스 내에서 실행되는 코드의 흐름을 나타낸다.

1. 프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 말한다.
예시로 프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)과 같은 실행 파일이며, 이를 두 번 클릭하면 구글 크롬 프로세스로 변환되는 것이다.
프로그램을 만드는 과정은 만드는 언어마다 다를 수 있는데, C언어 기반의 프로그램을 기준으로 설명하면 컴파일러가 컴파일 과정을 통해 컴퓨터가 이해 가능한 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만들게 된다.

1-1. 프로그램의 컴파일 과정

⚙️ 컴파일 과정

1. 소스 파일(source file)의 작성

  • 프로그래밍에서 가장 먼저 해야 할 작업은 바로 프로그램을 작성하는 것이다.
  • C 언어를 사용하여 문법에 맞게 논리적으로 작성된 프로그램을 원시 파일 또는 소스 파일이라고 한다.
  • C 언어를 통해 작성된 소스 파일의 확장자는 .c 가 된다.

2. 전처리기(preprocessor)에 의한 선행처리

  • 전처리(선행처리, preprocess)란 소스 파일 중에서도 선행처리 문자(#)로 시작하는 선행처리 지시문의 처리 작업을 의미한다.
  • 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.
  • 전처리기는 코드를 생성하는 것이 아닌, 컴파일하기 전 컴파일러가 작업하기 좋도록 소스를 재구성해주는 역할만을 한다.

3. 컴파일러(compiler)에 의한 컴파일

  • 컴파일러는 개발자가 C 언어로 작성한 소스 코드를 중간 언어인 어셈블리어로 compile(변환)한다.
  • 컴파일러는 생성한 중간 언어(어셈블리어)를 최적화하여 실행 속도를 개선하거나 메모리 사용량을 줄이는 등의 최적화 작업을 수행한다.

4. 어셈블러(assembler)에 의한 컴파일

  • 어셈블리어는 어셈블러에 의해 기계어(machine code)에 가까운 형태인 목적 코드(object code)로 compile(변환)된다.
  • 변환된 object file의 확장자는 .o 혹은 .obj이다. (확장자는 운영체제 마다 다르기도 함)

5. 링커(linker)에 의한 링킹(linking)

  • 컴파일러에 의해 생성된 오브젝트 파일은 운영체제와의 인터페이스를 담당하는 시동 코드(start-up code)를 가지고 있지 않다. 또한, 대부분의 C 프로그램에서 사용하는 C 표준 라이브러리 파일도 포함되어 있지 않다.
  • 링커는 오브젝트 파일과 라이브러리 파일, 시동 코드 등을 결합하고, 최종적으로 기계어 코드로 컴파일하여 하나의 실행 가능한 파일(executable file)을 생성하는 작업인 링킹(linking)을 수행한다.
  • 링킹을 통해 생성된 실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out이다.

위의 컴파일 과정과 관련하여 기본적인 개념, 설명을 추가하였다.


⛓️ 소스 코드 변환 과정과 컴퓨터 프로그램 언어에 대한 개념

📌 소스 코드(C 언어) -> 중간 언어(assembly language) -> 목적 코드(object code) -> 실행 파일 생성

  • 개발자에 의해 작성된 소스 파일의 코드(C언어)는 컴퓨터가 해당 코드를 바로 이해할 수 없다(컴퓨터는 0과 1로 이루어진 이진수로 작성된 기계어만을 이해할 수 있기 때문에). 따라서 소스 파일을 컴퓨터가 알아볼 수 있는 기계어로 변환시켜야 하는데, 기계어로 변환하기 전에 먼저 컴파일러에서는 소스 파일의 코드를 중간 언어인 어셈블리어로 변환하는 작업을 한다.

📌 어셈블리어(assembly language)

  • 어셈블리어는 기계어와 일대일 대응되는 기호들로 작성된 컴퓨터 프로그래밍의 낮은 수준의 언어이다.
  • 어셈블리어는 사람이 이해하기 쉽도록 기계어를 좀 더 추상화한 형태로, 컴퓨터의 명령어 세트를 직접 다루는 언어이다. 어셈블리어 명령어들은 실제로 컴퓨터의 기계어 명령어로 변환되며, 어셈블러(assembler)라는 특수한 프로그램을 사용하여 기계어로 변환된다.

📌 목적 코드(object code)

  • 목적 코드(object Code)는 바로 기계어(machine code)에 가까운 형태의 코드이다. 목적 코드는 컴파일된 프로그램의 중간 단계로서, 컴파일러에 의해 생성되며 컴퓨터가 직접 실행할 수 있는 형태의 코드이다.
  • 목적 코드는 기계어와 유사하지만, 아직 최종적으로 실행 가능한 형태로 변환되기 전의 중간 형태의 코드이다. 목적 코드는 컴파일된 프로그램의 각 명령어와 데이터가 어떻게 메모리에 배치되는지, 어떤 레지스터를 사용하는지 등의 정보를 포함하고 있다. 이 목적 코드는 다음 단계인 링킹(linking)을 통해 라이브러리와 결합되어 최종적인 실행 파일이 생성된다.
  • 즉, 목적 코드는 기계어에 가깝지만, 컴파일된 프로그램이 최종적으로 실행 가능한 형태인 실행 파일이 되기 전의 중간 단계로서의 코드를 나타낸다.
  • 따라서 목적 코드는 링킹을 통해 다양한 모듈과 라이브러리가 결합되고 최종적으로 기계어 코드로 컴파일되어 실행 가능한 실행 파일이 생성되는 과정을 거치게 된다.

cf. 정적 라이브러리와 동적 라이브러리

  • 정적 라이브러리: 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 쓰는 방법이다. 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮은 장점이 있지만 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
  • 동적 라이브러리: 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법이다. 메모리 효율성에서의 장점을 지니지만 외부 의존도가 높아진다는 단점이 있다.

2. 프로세스의 상태(Process states)

프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 갖는다.

2-1. 생성 상태(create)

생성 상태는 프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다. 이때 PCB(Process Control Block)가 할당된다.

  • fork()
    • fork()는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다.
    • 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.
  • exec()
    • exec()은 새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

2-2. 대기 상태(ready)

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

2-3. 대기 중단 상태(ready suspended)

대기 중단 상태는 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

2-4. 실행 상태(running)

실행 상태는 CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미한다. 이를 CPU burst가 일어났다고도 표현한다.

2-5. 중단 상태(blocked state)

중단 상태는 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태이다.
I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 한다.

  • 예시: 프린트 인쇄 버튼 클릭 시 프로세스가 잠깐 멈춘 듯할 때

2-6. 일시 중단 상태(blocked suspended state)

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

2-7. 종료 상태(terminated state)

종료 상태는 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다.
종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있지만, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 종료되는 것도 있다. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생한다.

3. 프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.
Stack, Heap, Data 영역(BSS segment, Data segment), Code 영역(Code segment)로 나눠진다.

3-1. 스택과 힙

스택과 힙은 동적 할당이 되며, 동적 할당은 run time 단계에서 메모리를 할당받는 것을 말한다.

  • 스택(stack)
    • 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역이다.
    • 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장된다.
    • 재귀 함수가 호출된다고 했을 때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않는다.
  • 힙(heap)
    • 동적으로 할당되는 변수들을 담는다.
    • malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있으며 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우 힙 영역을 사용한다. 예를 들어 vector는 내부적으로 힙 영역을 사용한다.

3-2. 데이터 영역

정적 할당되는 영역이다. 정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말한다.
데이터 영역은 BSS segment와 Data segment, code/text segment로 나눠서 저장된다.

  • BSS segment
    • 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떤 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당된다.
  • Data segment
    • 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당된다.

3-3. 코드 영역

code segment는 실행할 프로그램의 코드가 들어간다.

4. PCB (Process Control Block)

PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말한다.
프로세스 제어 블록이라고도 하며, 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.
프로그램이 실행되면 프로세스가 실행되고 프로세스 주소 값들에 stack, heap 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

메타데이터(metadata)

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

4-1. PCB의 구조

  • 프로세스 스케쥴링 상태: '준비', '일시중단' 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
  • 프로세스 ID: 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
  • 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
  • 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
  • CPU 레지스터: 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
  • CPU 스케쥴링 정보: CPU 스케쥴러에 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

4-2. 컨텍스트 스위칭(context switching)

컨텍스트 스위칭은 PCB를 교환하는 과정을 말한다.
한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.
싱글코어의 CPU를 기준으로 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다.
위에서 언급했듯이, 컨텍스트 스위칭의 설명에서는 싱글코어 CPU를 기준으로 설명한다. 그러나 참고로 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU를 사용하기 때문에 여기서 설명하는 한 시점에 한 개의 프로그램이 실행된다고 하는 것에 해당되지 않는다.

한 개의 프로세스 A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행한다.
그리고 다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드한다.
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 드는 비용으로는 유휴 시간(idle time)과 캐시미스(cache miss) 발생이다.

  • 비용: 캐시미스
    컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

  • 스레드에서의 컨텍스트 스위칭
    컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어난다.
    스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.

5. 멀티프로세싱

멀티프로세싱은 여러 개의 프로세스, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다.
이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다.

5-1. 웹 브라우저(Web browser)

웹 브라우저는 멀티프로세스의 구조를 가지고 있으며 다음과 같은 프로세스들로 구성되어 있다.

  • 브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당한다.
  • 렌더링 프로세스: 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어한다.
  • 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다.
  • GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다.

5-2. IPC (Inter Process Communication, 프로세스 간 통신)

멀티프로세스는 IPC가 가능하다. IPC란? 프로세스들 사이에 서로 데이터를 주고받는 행위 또는 그에 대한 방법이나 경로를 뜻한다. (출처: 위키백과)

  • IPC의 예시: 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것
  • IPC의 종류: 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐 등
    (이들은 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.)

📌 공유 메모리(shared memory)

  • 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것을 말한다.

  • 기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다.
  • IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르다.
  • 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.
  • 참고로 하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM을 가리키기도 한다.

cf. 오버헤드(overhead): 어떤 처리를 하기 위해 들어가는 간접적인 처리 시간 · 메모리 등을 말한다.

예시) A라는 처리를 단순하게 실행한다면 10초 걸리는데, 안전성을 고려하고 부가적인 B라는 처리를 추가한 결과 처리시간이 15초 걸렸다면, 오버헤드는 5초가 된다. 또한 이 처리 B를 개선해 B'라는 처리를 한 결과, 처리시간이 12초가 되었다면, 이 경우 오버헤드가 3초 단축되었다고 말한다

📌 파일(file): 파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말한다. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.

📌 소켓(socket)

  • 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미한다.
  • 오늘날 컴퓨터 간 통신의 대부분은 인터넷 프로토콜을 기반으로 하고 있으므로, 대부분의 소켓(네트워크 소켓)은 인터넷 소켓이다. 네트워크 통신을 위한 프로그램들은 소켓을 생성하고, 이 소켓을 통해서 서로 데이터를 교환한다.
  • 인터넷 소켓은 크게 2개의 타입, TCP(Transmission Control Protocol)와 UDP(User Datagram Protocol)로 분류할 수 있다.

📌 익명 파이프(unamed pipe)

  • 익명 파이프는 프로세스 간에 FIFO(First In First Out) 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받는다.
  • 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다.

📌 명명된 파이프(named pipe)

  • 명명된 파이프는 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프를 말한다.
  • 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다.
  • 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신 가능하다.
  • 다음과 같이 보통 서버용 파이프(Pipe Server)와 클라이언트용 파이프(Pipe Client)로 구분해서 작동하며 하나의 인스턴스(Pipe Instance)를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신한다.

📌 메시지 큐(Message Queue)

  • 메시지 큐는 메시지를 큐(Queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 말한다.
  • 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리된다.
  • 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 있다.
  • 공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.

6. 스레드와 멀티스레딩

6-1. 스레드

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다.
프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.

프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙(files)을 각각 생성한다.
스레드는 코드, 데이터, 힙(files)은 스레드끼리 서로 공유하고, 그외의 영역(registers, stack)은 각각 생성된다.

▼ 싱글스레드 프로세스와 멀티스레드 프로세스

6-2. 멀티스레딩

멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이다.
스레드끼리 서로 자원을 공유하기에 효율성이 높다.

예시: 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우

  • 장점
    • 훨씬 적은 리소스를 소비한다.
    • 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드는 실행(running) 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다.
    • 동시성에도 큰 장점이 있다.
      • cf. 동시성: 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것을 말한다.
  • 단점
    • 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다.

또한 멀티스레드의 예로는 웹 브라우저의 렌더러 프로세스를 예로 들 수 있다.
웹 브라우저의 렌더러 프로세스는 메인 스레드, 워커 스레드, 컴포지터 스레드, 레스터 스레드로 구성되어 있다.

  • cf. 렌더러 프로세스: 웹 콘텐츠를 처리하며, 탭 내부에서 발생하는 모든 작업을 담당한다. HTML, CSS와 JavaScript를 사용자와 상호작용 할 수 있는 웹 페이지로 변환하는 역할을 한다.

7. 공유 자원과 임계 영역

7-1. 공유 자원(shared resource)

공유 자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다.
공유 자원을 2개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)라고 한다. 즉, 동시에 접근 시도 시 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 준다.

7-2. 임계 영역(critical section)

임계 영역은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.
임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다. 이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)이다.
예를 들어 임계 영역을 화장실이라고 가정하면 화장실에 A라는 사람이 들어간 다음 문을 잠근다. 그리고 다음 사람이 이를 기다리다 A가 나오면 화장실을 쓰는 방법이라고 할 수 있다.

  • 상호 배제: 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
  • 한정 대기: 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다.
  • 융통성: 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 된다.

📌 뮤텍스(Mutex, Mutual exclusion, 상호배제)

  • 뮤텍스는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다.
  • 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근이 불가하며 해제하면 접근 가능하다.
  • 뮤텍스는 잠금(lock, wait) 또는 잠금 해제(unlock, release)라는 상태만을 가진다.

📌 세마포어(Semaphore)

  • 세마포어는 일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수라고도 한다) 및 signal(V 함수라고도 한다)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
  • wait(): 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수. 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행한다.
  • signal(): 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수. 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다.
  • 세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.

  • 1) 바이너리 세마포어(Binary semaphore)

    • 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다.
    • 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만, 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 '잠금 메커니즘' 이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 메커니즘'이다.

  • 2) 카운팅 세마포어(Counting semaphore)

    • 카운팅 세마포어는 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이다.
    • 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다.
    • 카운팅 세마포어에서는 초기값은 가능한 자원의 수로 정해지며, 세마포어 값의 범위는 정해져 있지 않다

📌 모니터(Monitor)

  • 모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.
  • 모니터는 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다.
  • 모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

8. 교착 상태 (Deadlock)

교착 상태는 2개 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.

8-1. 교착 상태의 원인

  • 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능한 경우.
  • 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 경우.
  • 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음.
  • 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 경우.

8-2. 교착 상태의 해결 방법

  1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
  2. 은행원 알고리즘 사용: 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악한다.
  3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
  4. 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. (현대 운영체제는 이 방법을 채택: 응답 없음 창이 뜨는 경우도 이와 같은 경우에 해당할 수 있음)
  • cf. 은행원 알고리즘: 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘

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