프로세스와 스레드

프로세스

• 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
• CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업

스레드

• 프로세스 내 작업의 흐름

작업 실행 과정
1. 프로그램이 메모리에 올라간다
2. 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어난다
3. 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다

1. 프로세스와 컴파일 과정

(1) 프로세스

• 프로그램으로부터 인스턴스화된 것
  ex. 프로그램 : 구글 크롬, 두번 클릭하면 구글 '프로세스'가 시작된다

(2) 프로그램
컴파일러(사용자가 이해할 수 있는 코드를 컴파일을 통해 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역)로 실행할 수 있는 파일이 될 수 있는 것

(3) 컴파일 과정

소스코드 - 전처리 - 컴파일러 - 어셈블리어 - 어셈블러 - 목적코드 (+ 라이브러리) - 링커 - 실행 가능 파일

• 전처리
  소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다
  주석 제거, 헤더 파일 병합, 매크로 치환
• 컴파일러
  오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다
• 어셈블러
  어셈블리어 : 목적코드로 변환
  확장자는 운영체제마다 다른데 리눅스에서는 .o
  ex. 가영.c -> 가영.o
• 링커
  프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 or 다른 파일들과 목적 코드를 결합해 실행 파일을 만든다
  실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out이라는 확장자를 갖는다
• 라이브러리
  - 정적 라이브러리
  프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행파일에 넣는 방식
  시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있다
  • 동적 라이브러리
    프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식
    메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점이 있다
    

cf. 컴파일러 vs 인터프리터
ex. c vs python

• 인터프리터: 별도의 컴파일 과정 없이 한 번에 한 줄씩 읽어들여서 실행

2. 프로세스의 상태

1. 생성 상태

• 프로세스가 생성된 상태 ex. 프로그램을 더블 클릭해서 실행한 상태
• fork(), exec() 함수를 통해 생성
• 이때 pcb가 할당된다
• fork()
  부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사
  새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
  주소 공간만 복사할 뿐, 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하는 건 X
• exec()
  새롭게 프로세스를 생성하는 함수

2. 대기 상태
   1) 메모리 공간이 충분하면: 메모리를 할당받고
   2) 메모리 공간이 충분하지 않으면: 대기하며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태

3. 대기 중단 상태 : 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

4. 실행 상태
   CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태
   이를 CPU burst가 일어났다고도 표현한다

5. 중단 상태
   어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
   I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 한다
   ex. 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 잠깐 멈추는 것 같은 상태

6. 일시 중단 상태
   대기 중단과 유사
   중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

7. 종료 상태
   메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
   종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있지만
   부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료로 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 할당한다
위에서부터 순서대로 : [동적 영역] 스택 - 힙 - [정적 영역] 데이터 영역 - 코드 영역
스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다

1. 동적 영역
   (1) 스택

• 지역변수, 매개변수, 함수가 저장된다

• 컴파일 시에 크기가 결정된다

• '동적'인 특징을 갖는다
  : 수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있다
  => 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안되기 때문에 힙과 스택 사이 공간을 비워놓는다

  (2) 힙

• 동적 할당할 때 사용된다

• 런타임 시 크기가 결정된다 ex. 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당

• '동적'인 특징을 갖는다

2. 정적 영역
   (1) 데이터 영역
   -전역변수, 정적변수가 저장된다
   -정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역

   1-1) BSS 영역 : 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장된다
   1-2) Data 영역 : 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장된다

   (2) 코드 영역
   프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역
   수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 가진다

4. PCB

• process control block
• 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다
• 프로세스 제어 블록이라고도 한다
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다

프로세스가 생성되면
1. 프로세스 생성
2. 프로세스 주소 값들에 위의 구조(스택, 힙 등)를 기반으로 메모리가 할당도니다
3. 이 프로세스의 메타데이터들이 pcb에 저장되어 관리된다
4. 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됩니다

메타데이터
데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터,
대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터

1. pcb의 구조
   프로세스의 스케줄링 상태, 프로세스 id 등의 다음과 같은 정보로 이루어져 있다

• 프로세스 스케줄링 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 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

2. 컨텍스트 스위칭

• pcb를 교환하는 과정
• 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다
• 컴퓨터가 많은 프로그램을 실행하는 것처럼 보이지만 어떤 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개다
• 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문
• 사실 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한개의 프로그램이 X
  - 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글 코어를 기준으로 설명한다

  • 1) 한 개의 프로세스 A가 실행하다 멈추고,
    2) 프로세스 A의 PCB를 저장하고
    3) 다시 프로세스 B를 로드하여 실행
    4) 다시 프로세스 B의 PCB를 저장
    5) 프로세스 A의 PCB를 로드

    컨텍스트 스위칭에 드는 비용

    1. 유휴 시간 (idle time)
    2. 캐시미스
    • 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다
    • 스레드에서 컨텍스트 스위칭
      스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다

5. 멀티프로세싱

여러 개의 프로세스
동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말함

하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있다
특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도
다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다

ex. 웹 브라우저

• 브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당

• 렌더러 프로세스 : 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어한다

• 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다

• GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

IPC
Inter Process Communication
멀티프로세스는 IPC 가능
프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘 의미
공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐
모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다

ex. 클라이언트와 서버 : 클라이언트가 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답
종류

공유 메모리
여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권힌이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것
각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다
IPC 방식 중 어떤 매개체를 통해 데이터를 주고 받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아
가장 빠르며 같은 메모리

6. 스레드와 멀티스레딩

7. 공유 자원과 임계 영역

8. 교착 상태