✅프로세스와 스레드
프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업이라는 용어와 같은 의미로 쓰입니다. 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 말합니다. 즉, 프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고 이후에 운영체제의 cpu스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행합니다.
✨프로세스
▶프로세스와 컴파일 과정
- 프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화된 것을 말합니다. 예를 들어 프로그램은 구글 크롬과 같은 실행 파일이고 이를 두번 클릭하면 구글 크롬 프로세스가 실행되는 것입니다.
- 프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것을 의미합니다.
▶프로세스의 상태
✔생성 상태
생성상태는 프로세스가 생성된 상태로 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성합니다. PCB가 할당됨
fork() : fork()는 부모 프로세스의 주소공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수입니다. 주소공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업등을 상속하지는 않습니다.
**exec()** : 새롭게 프로세스를 생성하는 함수입니다.
- PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말합니다. 프로세스 제어 블록이라고도 합니다. 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됩니다.
✔대기 상태
대기상태는 메모리공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU소유권이 넘어오기를 기다리는 상태입니다.
✔대기 중단 상태
대기중단상태는 메모리 부족으로 일시 중단된 상태입니다.
✔실행 상태
실행 상태는 CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미합니다. 이를 CPU burst가 일어났다고도 표현합니다.
✔중단상태
중단상태는 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태입니다. I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 합니다. 예를 들어 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘 듯할 때가 있는데 바로 그 상태입니다.
✔일시중단 상태
일시중단 상태는 대기 중단과 유사합니다. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태입니다.
✔종료 상태
종료상태는 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말합니다.
종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있지만 부모 프로세스가 자식프로세스를 강제시키는 비자발적(abortt) 종료로 종료되는 것도 있습니다. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생합니다.
▶프로세스의 메모리 구조
운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 스택, 힙, 데이터영역, 코드 영역을 기반으로 할당합니다. 주로 스택은 위 주소부터, 힙은 아래 주소부터 할당됩니다.
✔스택
스택에는 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시 크기가 결정되며 ‘동적’인 특징을 갖습니다. 이 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 때에는 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워둡니다.
✔힙
힙은 동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정됩니다. 예를 들어 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 할당됩니다.
✔데이터 영역
데이터 영역은 전역, 정적 변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역입니다. BSS영여과 Data영역으로 나뉘고, Bss영역은 초기화가 되지 않는 변수가 0으로 초기화 되어 저장되며 Data영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장됩니다.
✔코드 영역
코드 영역은 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역입니다. 이영역은 수정불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 가집니다.
▶멀티프로세싱
여러개의 프로세스를 수행할 수 있는 것을 말합니다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있고 특정 프로세스 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높다는 강점이 있습니다.
- IPC가 가능합니다. IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻합니다. 하지만 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어집니다.
대표적으로 활용되는 것이…
👉웹브라우저
- 브라우저 프로세스, 렌더러 프로세스, 플러그인 프로세스, GPU프로세스가 있습니다.
✨스레드
스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위입니다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있습니다. 코드 데이터 스택 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유합니다. 그 외에는 각각 생성됩니다.
▶멀티스레딩
프로세스 내 작업을 여러 개 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높습니다. 예를 들어 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용한 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비합니다.
- 힌 스레드가 중단(블락)되어도 다른 스레드는 실행(러닝) 상태일 수 있끼 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능합니다. 또한 동시성에도 큰 장점이 있습니다.
- 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영량을 줄 수 있습니다.
✨공유자원
공유자원은 프로세스와 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원이나 변수 등을 의미하는데, 이 공유자원을 두개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁상태라고 합니다. 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태인 것이죠.
▶임계영역
공유자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 영역을 임계 영역이라고 합니다.
임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족합니다.
이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)입니다.
✨교착상태(데드락)
교착상태는 두 개이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말합니다.예를 들어 프로세스 a가 프로세스 b의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 프로세스 a가 점유하고 있는 자원을 요청하는 것이죠.
✔원인
**상호배제**: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능합니다.**점유대기**: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태입니다.**비선점**: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없습니다.**환형대기**: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말합니다.
✔교착상태의 해결방법
- 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계합니다.
- 교착상태 가능성이 없을 때만 자원 할당 되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 ‘은행원 알고리즘’을 씁니다.
- 교착상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지웁니다.
