프로세스와 스레드
프로세스 : 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
스레드 : 프로세스 내 작업의 흐름
1️⃣ 프로세스와 컴파일 과정
- 전처리 : 소스 코드의 주석 제거, #include 같은 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환
- 컴파일러 : 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환
- 어셈블러 : 어셈블리어를 목적 코드(object)로 변환 (linux에선 .o파일)
- 링커 : 다른 라이브러리 함수 및 파일들과 결합하여 실행파일을 만든다. (.exe, .out)
정적 라이브러리 : 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행파일에 넣음
👍🏻 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮음
👎🏻 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어짐
동적 라이브러리 : 프로그램 실행 시 필요한 때만 DDL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식
👍🏻 메모리 효율성
👎🏻 외부 의존도 높아짐
2️⃣ 프로세스의 상태
프로세스는 여러 가지 상태 값을 갖는다.
생성 상태 (create)
프로세스가 생성된 상태를 의미하며, PCB가 할당된다.
- fork() 또는 exec()함수를 통해 생성한다.
fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며 새로운 자식 프로세스를 생성한다.
- 비동기 작업 등을 상속하진 않음
exec() : 새롭게 프로세스를 생성하는 함수
대기 상태 (ready)
CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태
- 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받는다.
- 충분하지 않으면 대기
대기 중단 상태 (ready suspended)
메모리 부족으로 일시 중단된 상태
실행 상태 (running)
CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행중인 상태 (= CPU burst가 일어났다)
중단 상태 (blocked)
어떤 이벤트 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
- 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘 듯한 그 상태
일시 중단 상태 (blocked suspended)
중단(blocked)된 상태에서 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
3️⃣ 프로세스의 메모리 구조
운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 아래 구조를 기반으로 할당한다.
동적 할당: 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것
정적 할당: 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것
스택
지역변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역
힙
동적으로 할당되는 변수들을 담는다. malloc(), free()를 통해 관리할 수 있다.
데이터 영역
데이터 영역은 전역변수, 정적변수가 저장되고 정적인 특징을 가진다.
BSS segment: 0으로 초기화 or 초기화 안된 변수들
Data segment: 0이 아닌 값으로 초기화된 변수들
코드 영역
프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역
4️⃣ PCB (Process Control Block)
운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터(= 프로세스 제어 블록)로, 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.
- 프로그램이 실행
- 프로세스가 생성
- 프로세스 주소 값들에 4 구조를 기반으로 메모리 할당
- 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리됨
- 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됨
메타데이터 : 데이터를 설명하는 작은 데이터
PCB의 구조
| 정보 | 설명 |
|---|---|
| 프로세스 스케줄링 상태 | 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태 |
| 프로세스 ID | 프로세스 ID, 해당 프로세스 |
| 프로세스 권한 | 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보 |
| 프로세스 카운터 | 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터 |
| CPU 레지스터 | 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보 |
| CPU 스케줄링 정보 | CPU 스케줄러에 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 |
컨텍스트 스위칭 (context switching)
PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장시키고 로드시키는 과정으로, 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.
컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만, 어떠한 시점에 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며, 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문에 마치 동시 실행으로 보인다.
캐시미스
- 컨텍스트 스위칭 시 프로세스의 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생긴다.
- 따라서 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.
스레드에서의 컨텍스트 스위칭
스레드는 스택 영역을 제외하고 모든 메모리를 공유한다. 따라서 비용도 적고 시간도 적게 걸린다.
5️⃣ 멀티프로세싱
여러개의 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
- 하나 이상의 일을 병렬로 처리 가능
- 프로세스의 일부, 메모리에 문제가 발생하더라도 다른 프로세스를 이용하기에 신뢰도가 높음
웹 브라우저
멀티프로세스 구조를 가지고 있으며 아래와 같다.
| 브라우저 프로세스 | 주소 표시줄, 뒤로가기 버튼, 북마크 막대 등 네트워크 요청 or 파일 접근 권한 담당 |
|---|---|
| 렌더러 프로세스 | 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어한다. |
| 플러그인 프로세스 | 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다. |
| GPU 프로세스 | GPU (graphics proccessing unit)를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다. |
IPC (Inter Process Communication)
프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 매커니즘
멀티프로세스는 IPC가 가능하다.
ex) 클라이언트는 데이터를 요청, 서버는 요청에 응답하는 이 구조도 IPC의 예시이다.
IPC의 종류
이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보단 속도가 떨어진다.
공유 메모리 (shared memory)
프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것.
기본적으론 각 프로세스의 메모리를 서로 접근할 수 없지만, 이를 통해 하나의 메모리를 공유할 수 있다.
- 메모리 자체를 공유하기에 불필요한 데이터 복사를 하지않아 가장 빠르다.
- 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기에 동기화가 필요하다.
파일
디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 기반으로 프로세스 간 통신
소켓
같은 컴퓨터의 다른 프로세스 or 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터. (TCP, UDP)
익명 파이프 (unnamed pipe)
프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받음
- 단방향 방식의 읽기 파이프, 쓰기 파이프를 만들어 작동하는 방식
- 부모 - 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있다. 다른 네트워크상에선 안됨
명명된 파이프 (named pipe)
파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프
- 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프 제공
- 여러 파이프 동시 사용 가능
- 네트워크상의 컴퓨터와도 통신 가능
메시지 큐
메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것
- 커널에서 전역적으로 관리
- 사용 방법이 직관적이고 간단
6️⃣ 스레드와 멀티스레딩
스레드
스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.
스택을 제외한 영역은 스레드끼리 공유된다.
멀티스레딩
프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 처리하는 기법
- 👍🏻 공유되는 자원으로 높은 효율
- 👍🏻 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 동시성의 장점
- 👎🏻 한 스레드에 문제가 생기면, 다른 스레드에 영향을 주어 프로세스에 영향을 미칠 수 있음
7️⃣ 공유 자원과 임계 영역
공유 자원 (shared resource)
시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원이나 변수
경쟁 상태(race condition): 두 개 이상의 프로세스가 동시에 사용하는 상황
임계 영역 (critical section)
공유 자원에 대해 한 번에 하나의 프로세스만이 이에 접근하도록 통제해야하는데, 그러한 통제가 필요한 영역을 임계 영역이라고 한다.
- 잠금(lock) 매커니즘으로, 임계영역을 해결한다.
- 해결 방법 종류 - 뮤텍스, 세마포어, 모니터
상호 배제(mutual exclusion): 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때, 다른 프로세스는 못들어간다.
한정 대기(bounded waiting): 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다.
융통성(progress): 임계 영역에 프로세스가 없다면, 프로세스가 들어가서 자원을 활용할 수 있다.
뮤텍스 (mutex)
프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고, 사용한 후엔 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다.
- 잠금 or 잠금 해제 상태만을 가진다.
세마포어 (semaphore)
일반화된 뮤텍스로, 간단한 정수 값과 wait & signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
- 조건 변수가 없고, 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 방해 불가능
wait(): 자신의 차례가 올 때 까지 기다리는 함수
signal(): 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
뮤텍스 VS 세마포어
뮤텍스 : 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 잠금 매커니즘
세마포어 : 신호을 기반으로 상호배제가 일어나는 신호 매커니즘
바이너리 세마포어
0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어
카운팅 세마포어
여러개의 값을 가질 수 있기에 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용되는 세마포어
모니터
공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
- 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리
모니터 VS 세마포어
모니터 : 자동 상호배제
세마포어 : 명시적으로 구현하는 상호배제
8️⃣ 교착 상태 (deadlock)
두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
교착 상태의 원인
- 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며, 다른 프로세스들은 접근 불가능
- 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
- 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
- 환형 대기 : 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황
이 4가지 원인이 모두 충족되어야 데드락이 발생했다고 한다.
교착 상태의 해결 방법
- 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
- 은행원 알고리즘 활용
- 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고, 관련 프로세스를 한 개씩 지움
- 교착 상태는 매우 드물게 일어나기에, 발생 시 사용자가 작업을 종료하게함.
- 현대 운영체제는 이 방법을 채택
은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘
CPU 스케줄링 알고리즘
https://velog.io/@kimmainsain/가볍게-읽는-스케줄링-알고리즘
refer
https://velog.io/@gkqls813/면접을-위한-CS-전공지식-노트-운영체제-프로세스와-스레드-CPU-스케줄링
면접을 위한 cs 전공지식 노트
