운영체제 - 프로세스와 스레드

Dohyeon Kong·2024년 9월 29일

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프로세스(Process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 의미하며, CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(Task)라는 용어와 거의 같은 의미로 사용되고 있다. 스레드(Thread)는 프로세스 내 작업의 흐름을 의미한다.

프로그램이 메모리(RAM)로 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.

1. 프로세스의 상태

생성(Create) 상태

프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해서 생성된다. 이때 PCB가 할당된다.

📢 PCB(프로세스 제어 블록, Process Control Block)는 운영체제가 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하는 데이터 구조

fork()는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하여 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수를 의미하며 주소 공간만 복사할 분이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않는다. exec()는 새롭게 프로세스를 생성하는 함수를 의미한다.

대기(Ready) 상태, 대기 중단(Ready Suspended) 상태

대기(Ready) 상태는 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있는 상태이며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태를 의미한다.

대기 중단(Ready Suspended) 메모리 부족으로 일시 중단된 상태를 의미한다.

실행(Run) 상태

실행(Run) 상태는 CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션(명령)을 수행 중인 상태를 의미한다. ➡️ 'CPU burst'가 일어났다고 표현한다.

중단(Blocked) 상태, 일시 중단 (Blocked Suspendes) 상태

중단(Blocked) 상태는 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단되 상태를 의미한다. I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 많이 발생하는 상태이기도 하다.

일시 중단(Blocked Suspendes) 상태는 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태를 의미한다.

종료(Terminated) 상태

종료(Terminated) 상태는 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 의미한다. 자연스럽게 종료되는 경우도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 종료되는 경우도 있다. 이러한 경우는 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어섰거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process.kill등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생한다.

2. 프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하며 다음 구조를 기반으로 할당하게 된다.

2-1. 스택과 힙(Stack And Heap)

스택(Stack)과 힙(Heap)은 동적 할당이 되고 동적 할당은 런타입 단계에서 메모리를 할당받는 것을 의미한다.

스택(Stack)은 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역을 의미한다. 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장된다.
또한, 재귀 함수는 호출될 때마다 새로운 스택 프레임(함수가 호출될 때 함수의 실행 상태를 저장하는 메모리 영역)을 생성하여 함수 내에서 사용하는 매개변수나 지역 변수들이 독립적으로 관리된다. 이로 인해 각 재귀 호출에서 사용하는 변수들이 다른 호출의 변수와 간섭하지 않으며 서로 다른 변수처럼 동작한다

힙(Heap)은 동적으로 할당되는 변수들을 담으며, malloc()와 free() 함수를 통해 관리할 수 있고 동적으로 관리되는 자료 구조(Ex. 연결 리스트, ArrayList, 그래프 등)의 경우 힙 영역을 사용한다.

2-2. 데이터 영역과 코드 영역

데이터 영역과 코드영역은 정적으로 할당되는 영역으로, 정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 의미한다.
데이터 영역은 BSS Segment, Data Segment, Code/Test Segment로 나누어서 저장이 된다.

데이터 영역

BSS Segment는 전역 변수 혹은 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 할당되는 영역이다.
Data Segment는 전역 변수 혹은 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 할당되는 영역이다.
Code Segment는 프로그램의 코드가 들어가는 영역이다.

3. PCB(Process Control Block)

앞서 PCB에 대하여 짧게 정의 정도만 말하고 넘어갔는데 PCB에 대하여 조금 더 자세히 알아보자!!

PCB(프로세스 제어 블록, Process Control Block)는 운영체제가 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하는 데이터 구조

PCB(프로세스 제어 블록, Process Control Block) 운영체제에서 프로세스에 대한 메타 데이터를 저장하는 '데이터'

프로세스 제어 블록이라고도 하며 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.

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

📢 메타데이터는 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터

대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터가 바로 메타 데이터이다.

3-1. PCB의 구조

PCB는 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보로 이루어져 있다.

PCB의 구조 종류 중 몇가지

종류	설명
프로세스 스케줄링 상태	'준비', '일시중단' 등의 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

3-2. 컨텍스트 스위칭(Context Switching)

컨텍스트 스위칭(Context Switching)는 PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정

컨텍스트 스위칭은 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU를 가지고 있기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명은 틀린 설명이지만 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어(Single Core)를 기준으로 설명한다.

컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한가지이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되고 있기 때문이다.

한 개의 프로세스 A가 실행하다가 멈추고 프로세스 A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행한다. 그리고 다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드한다.
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 그림처럼 유휴 시간 (idle time)이 발생하는 것을 볼 수 있는데 유휴 시간외에 캐시 미스(Cache Miss)라고 하는 비용이 든다.

캐시미스(Cache Miss)

캐시미스 CPU가 필요한 데이터를 캐시에서 찾지 못하고 더 느린 메모리 계층(예: 주기억장치 RAM)에서 데이터를 가져와야 하는 상황

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이생기므로 캐시클리어(캐시를 비우는 작업) 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

스레드(Thread)에서의 컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어나게 되는데 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 적게 걸린다는 점이 있다.

4. 멀티프로세싱

멀티프로세싱은 여러 개의 '프로세스' = 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것

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.

하드웨어적 관점🔭으로 봤을 때 여러 개의 프로세서로 작업을 처리하는 것을 의마하기도 한다.

4-1. 웹 브라우저

웹브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있으며 다음과 같은 종류를 가지고 있다.

종류	설명
브라우저 프로세스	주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한 담당
랜더러 프로세스	웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어하는 것을 담당
플로그인 프로세스	웹 사이트에서 사용하는 플로그인을 제어하는 것을 담당
GPU 프로세스	GPU를 이용해서 화면을그리는 부분을 제어하는 것을 담당

4-2. IPC(Inter Process Communication)

멀티프로세스는 IPC가 가능하며, IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고 받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 의미한다.

IPC(Inter-Process Communication)는 프로세스 간 통신을 의미하며, 여러 프로세스가 데이터를 주고받거나 공유 데이터를 관리할 수 있게 해주는 메커니즘

예를 들어 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것 또한 IPC의 한 예로 들 수 있다.

IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명된 파이프, 메시지 큐가 있으며 이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다. 이제 IPC의 종류를 알아보도록 하자!!

4-2-1. IPC의 종류

1. 공유 메모리(Shared Memeory)

여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것

기본적으로 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다.

메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생해자 않아 가장 빠르고 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.

하드웨어적인 관점으로 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 RAM을 의미한다.

2. 파일

디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공하는 데이터이며 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 진행

3. 소켓

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터

소켓의 종류로는 TCP와 UDP가 있다.

4. 익명 파이프(Unnamed Pipe)

프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어 작동하는 방식

부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능

5. 명명된 파이프(Named Pipe)

파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프

클라리언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다.
컴퓨터의 프로세스끼리 혹은 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.

6. 메시지 큐(Message Queue)

메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 방식

커널의 전역 변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 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.

5. 스레드와 멀티스레팅

스레드

프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위

프로세스는 여러 스레드를 가지고 있을 수 있다.

멀티스레딩

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법

스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.
중단되지 않은 빠른 처리가 가능하며, 동시성에도 큰 장점이 있다.
하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에서도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다는 단점이 있다.

📢 동시성 : 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것

6. 공유 자원과 임계 영역

6-1. 공유 자원(Shared Resource)

시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다.

공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)라고 하며, 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태를 의미한다.

6-2. 임계 영역(Critical Section)

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역

임계영역을 해결하기 위한 방법

임계 영역(Critical Section) 문제를 해결하기 위해 사용하는 대표적인 방법으로 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore), 그리고 모니터(Monitor)가 있으며, 이들 모두는 상호 배제(Mutual Exclusion), 한정 대기(Bounded Waiting), 융통성(Flexibility) 조건을 만족한다.
이 세 가지 방법의 핵심 메커니즘은 잠금(Lock), 즉, 임계 영역에 하나의 프로세스가 들어가면, 다른 프로세스는 해당 프로세스가 임계 영역에서 나올 때까지 기다렸다가 임계 영역에 들어가게 되는 방법이다.

📢 상호배제 : 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.

📢 한정 대기 : 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다.

📢 융통성 : 만약 어떠한 프로세스도 임계 영역을 사용하지 않는다면 임계 영역 외부의 어떠한 프로세스도 들어갈 수 있으며 이 때 프로세스끼리 서로 방해하지 않는다.

뮤텍스

프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금을 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금을 해제하는 객체

잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 다른 프로세스나 스레드가 코드 영역에 접근할 수 있게 된다. 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가진다.

세마포어

일반화된 뮤텍스이며 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait()및 signal()로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

wait()는 P함수라고도 하며, 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이다. signal()은 V함수라고도 하며, 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.

바이너리 세마포어

0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어

구현의 유사성으로 인해 뮤택스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 잠금 매커니즘으로 수행되며 세마포어는 신호를 기반으로 상호배제가 일어나는 신호 매커니즘으로 수행된다.

카운팅 세마포어

여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어

여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용된다.

모니터

둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만을 제공하는 방법

공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리하며 세마포어보다 구현하기 쉽다는 장점이있다. 또한 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

7. 교착 상태(DeadLock)

교착상태(DeadLock)는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

교착 상태가 발생하는 원인과 이를 해결하기 위한 방법에 대해 알아보도록 하자🤔

7-1. 교착 상태의 원인

종류	설명
상호 배제	한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능
점유 대기	특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
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 상황

7-2. 교착 상태의 해결 방법

자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
교착 상태 가능성이 없을 때만 자원이 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘을 사용한다.
교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스르 한 개씩 지운다.
교착 상태는 매우드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다.
➡️ 현대 운영체제에서는 이방법을 채택하였다.

📢 은행원 알고리즘 : 교착 상태(Deadlock)를 방지하기 위한 자원 할당 알고리즘

자원을 할당할 때 시스템이 안정 상태(Safe State)에 있는지를 미리 계산하고, 시스템이 교착 상태에 빠지지 않도록 자원 할당을 관리한다.
이 알고리즘은 은행의 대출 시스템에서 유래되었으며 자원이 안전하게 할당되는지 확인하는 과정에서 은행원의 대출 관리 방식과 유사한 구조를 갖는 알고리즘이다.

Dohyeon Kong

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