프로세스(Process)
프로세스 란?
프로세스는 디스크에 있는 프로그램이 실행되서 운영체제에 의해 독립된 메모리 영역을 할당받고, cpu의 할당을 받을 수 있는 상태를 의미 한다.
=> 최소 하나의 스레드를 포함한 PCB를 가진 프로그램이다.
=> 자원에 접근하기위해서는 IPC를 사용한다.
PCB(Process Control Block)
- 운영체제가 프로세스를 제어하기 위해 정보를 저장해 놓는 곳, 상태 정보를 저장하는 구조체이다.
- 프로세스 상태 관리와 문맥 교환을 위해 필요하다.
- PCB는 프로세스 생성 시 만들어지며, 주기억장치에 유지된다.
📍 포인터
프로세스의 현재 위치를 저장하는 포인터의 정보이다.
📍 프로세스 상태
프로세스의 각 상태를 저장.
📍 프로세스 번호
모든 프로세스에는 프로세스 식별자를 저장하는 고유한ID가 할당된다.
📍 프로그램 카운터
프로세스를 위해 실행될 다음 명령어의 주소를 포함하는 카운터를 저장한다.
📍 레지스터
누산기, 베이스 ,레지스터 및 범용 레지스터를 포함하는 CPU 레지스터에 있는 정보이다.
📍 메모리 제한
운영 체제에서 사용하는 메모리 관리 시스템에 대한 정보가 포함된다.
📍 열린 파일 목록
이 정보에는 프로세스를 위해 열린 파일 목록이 포함된다.
IPC(Inter- process Communication)
프로세스 간에 통신하여 상호 커뮤니케이션을 하는 기법.
직접 대화하는 방법은 없지만,소통이 필요하기 때문에 만들어진 기법이다.
왜 직접소통하지 않는가❓
💨 프로세스끼리 쉽게 접근이 가능하면, 데이터나 코드가 다른 프로세스에 의해 쉽게 바뀔 우려가 있으므로, 직접적인 소통방법은 없다.
통신이 필요한 이유는❓
성능을 높이기 위해서이다.
로직 하나를 하나의 프로세스에서 수행하기보다, 여러 프로세스에 나눠서 수행한다면 보다 빠른 성능을 기대할 수 있다.
그 과정중에 필요한 데이터를 서로 공유할 수 있어야 한다.
IPC의 종류
- FILE 사용
텍스트 파일을 통해 데이터를 주고 받는것.
💨 실시간으로 직접 원하는 프로세스에 데이터를 전달하는게 어렵다.
=> 프로세스에 적재(LOAD) 되는 과정중에 컨텍스트 스위칭, 인터럽트등의 이벤트가 발생시 처리해야 한다.
- PIPE
단방향 통신, 즉 부모 프로세스에서 자식 프로세스로 일방적으로 통신하는 기법이다.
fork()를 통해 자식 프로세스를 만들고 나서 부모의 데이터를 자식에게 보낸다.
- 메시지 큐(Message Queue)
FIFO 방식으로 데이터가 전송되는 기법이다.
대용량 데이터를 처리하기 위한 배치 작업이나, 채팅 서비스, 비동기 데이터를 처리할 때 사용한다.
메시지 큐의 장점
비동기(Asynchronous): 큐에 넣기 때문에 나중에 처리할 수 있다.
비동조(Decoupling): 애플리케이션과 분리할 수 있습니다.
탄력성(Resilience): 일부가 실패시 전체에 영향을 받지 않는다.
과잉(Redundancy): 실패할 경우 재실행이 가능합니다.
보증(Guarantees): 작업이 처리된걸 확인할 수 있습니다.
확장성(Scalable): 다수의 프로세스들이 큐에 메시지를 보낼 수 있다.
ex) api 송수신, 비동기통신, 이메일 발송 및 문서 업로드, 많은 양의 프로세스 처리
파이프 vs. 메시지 큐
파이프는 부모-자식간의 통신이지만, 메시지 큐는 어떤 프로세스던지 통신이 가능하다.
- 공유 메모리
커널 공간에 메모리 공간을 만들고, 해당 공간을 변수처럼 쓰는 방식이다.
공유 메모리 key를 통해 여러 프로세스가 접근을 가능하게 한다.
- 시그널(signal)
가장 많이 사용하는 기법 중 하나이다. IPC를 위한 기법은 아니지만, 활용가능
커널 혹은 프로세스에서 다른 프로세스에 이벤트가 발생되었는지를 알려주는 기법이다.
프로세스 관련 코드에 관련 시그널 핸들러를 등록해서, 해당 시그널 처리를 실행하는 방식으로 공유한다.
EX)
1.SIGKILL : 프로세스를 죽여라. 슈퍼 관리자가 사용하는 시그널로, 어떤 경우든 프로세스를 죽인다.
2.SIGALRAM : 알람을 발생시켜라.
3.SIGSTP : 프로세스를 멈춰 → Ctrl+Z
4.SIGCONT : 멈춘 프로세스를 실행시킨다.
스레드
스레드 란?
◻ 프로그램 내에서 실행되는 프로그램 제어 흐름의 단위.
◻ 한 프로그램에 여러개의 스레드가 존재할 수 있다.
◻ 프로그램코드를 한 줄씩 실행하는 것이 스레드의 역활이다.
◻ 가벼운 프로세스라고 표현한다.
EX) 1개 단일 스레드, 2개 이상 멀티 스레드
프로세스 VS 스레드
프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위이다.
스레드는 할당 받은 자원을 이용하는 실해의 단위이며, 프로세스내에 여러개 생길 수 있다.
멀티 프로세스 VS 스레드
Muiti proces는 하나의 프로그램을 여러개의 프로세스로 구성하여, 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하는 것이다.
멀티 프로세스
⭕ 장점
하나의 프로세스가 잘못 되어도 프로그램은 동작함.
❌ 단점
context switching 비용 발생
멀티 스레드는 프로그램을 여러개의 스레드로 구성하고 각 스레드가 작업을 처리하는 것이다.
멀티 스레드
⭕ 장점
시스템 자원 소모 감소, 처리 비용 감소, 스레드간 자원 공유
❌ 단점
디버깅 어려움, 동기화 이슈 발생, 하나의 스레드의 오류로 전체 프
로세스에 문제 발생
멀티 스레드 vs 멀티 프로세스
✅ "멀티 스레드" 는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 Context Switching이 빠른 장점이 있지만, 동기화 문제와 하나의 스레드 장애로 전체 스레드가 종료 될 위험을 갖고 있다.
✅ "멀티 프로세스" 는 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향을 주지 않아 안정성이 높지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리공간과 CPU 시간을 차지하는 단점이 있다.
✅ 두 방법은 동시에 여러 작업을 수행하는 점에서 동일하지만, 각각의 장단이 있으므로 적용하는 시스템에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.
+@ Context Switching
CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는데 이 과정을 의미한다.
동작중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(CONTEXT)를 보관하고 대기하다가 다시 실행할 때 복구하는 비용(시간)을 의미한다.
+@ Thread Safe
여러 thread가 동시에 사용되어도 안전하단 것을 뜻한다.
💨특정 함수 A와 변수 aa 가 여러 스레드에서 호출되어도 하나의 스레드에서 호출했을 때의 같은 결과가 보장되어야 한다는 의미이다.
프로세스의 상태 5가지
생성, 준비 , 실행, 대기 , 종료
Created State
프로세스가 생성되는 단계
작업을 커널에 등록하고, PCB를 할당한다.
가용 메모리 공간 체크, 할당받을 수 있는 메모리가 있는지 확인한다.
▶ 메모리가 할당되면 ,Ready State로 넘어간다.
|| 할당받을 수 있는 메모리가 없으면, Suspended Ready상태로 대기한다.
Ready State
프로세서만 제외, 메모리 등 다른 모든 자원을 할당 받은 상태
프로세서를 할당 받으면 즉시 실행이 가능한 상태
Running state
필요한 자원 및 프로세서를 모두 할당 받은 상태
프로세서를 차지하고 작업을 실행 중인 상태.
💨 Runing State에서 빠져나가는 두가지 상태
Preemption :
Ready State로 돌아가는 경우이다.
프로세서 스케줄링 등으로, 프로세서를 잃고 다시 프로세서 할당을 대기.
Block / Sleep :
입/출력 등의 특정한 Event 를 기다리게 된다.
할당받았던 프로세서를 반납하고, asleep(blocked) 상태가 되어I/O 자원 등 필요한 자원을 할당 받기를 기다린다.
Asleep / Blocked State :
프로세서 외 다른 자원을 기다리는 상태.
Wake-up : 자원을 할당받게 되면 Blocked State 에서 다시 Ready State 로 되는 것을 가리킨다.
Suspended State
메모리를 할당받지 못한, 혹은 빼앗긴 상태
Suspended Ready :
Ready State 처럼, 다른 자원을 할당 받은 상태이나
프로세서 및 메모리를 할당받지 못한 상태이다.
Suspended Blocked :
프로세스, 메모리, 기타 자원 모두 할당받지 못한 상태이다.
💨 Ready State 혹은 Blocked State 에서, 메모리를 잃게 되면 Suspended State 가 되고,
💨 메모리를 할당 받으면 다시 Ready State 혹은 Blocked State 로 돌아간다.
Terminated / Zombie State
◻ 프로세스 수행이 끝난 상태
◻ 프로세서, 메모리 등 모든 자원을 반납한다.
◻ 커널 내 일부 PCB 정보를 남겨, 프로세스 관리를 위한 정보 수집하기 위한 단계이다.
◻ 이 단계가 끝나면 프로세스는 삭제, 소멸된다.
참고
