📕 프로세스(Process)란?
- 프로세스는 사전적으로 "컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램"으로 해석할 수 있으며, 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 객체)이다.
- 쉽게 말해, 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받아 실행된 프로그램을 의미한다.
- 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap)을 할당 받는다.
- 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 갖고 있다.
- 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
- 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근 하려면 프로세스 간의 통신(IPC)을 사용해야한다. (ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법)
📕 스레드(Thread)란?
- 스레드는 사전적으로 "프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위"로 해석할 수 있으며, 프로세스의 특정한 수행 경로를 뜻한다.
- 쉽게 말해, 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위를 의미한다.
- 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고, Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
- 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프레세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
스레드마다 스택을 독립적으로 할당하는 이유
스택은 함수 호출시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값, 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로, 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위해 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.
📕 멀티 프로세스
- 멀티 프로세싱이란, 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 장점 | 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생해도 다른 영향이 확산되지 않는다. |
| 단점 | 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC) Context Switching에서의 오버헤드 |
📕 멀티 스레드
- 멀티 스레딩이란, 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
| 구분 | 내용 |
|---|---|
| 장점 | 시스템 자원 소모 감소(자원의 효율성 증대) 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소) 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축 |
| 단점 | 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다. 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어려움 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. 자원 공유의 문제가 발생한다 (동기화 문제) |
📕 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유
📌 자원의 효율성 증대
- 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하며 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있음
📌 응답 시간 단축 및 처리 비용 감소
- Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문에 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
⚠ 주의할 점
- 동기화 문제
- 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있다.
📕 스케줄러
프로세스를 스케줄링 하기 위한 Queue에는 세 가지 종류가 존재한다.
📌 Scheduling Queues
- Job Queue : 시스템 안의 모든 프로세스의 집합
- Ready Queue : ready 상태의 메인 메모리 안에 상주하는 모든 프레세스의 집합
- Device Queue : I/O장치 사용을 대기하는 프로세스들의 집합
각각의 Queue에 프로세스들을 넣고 빼주는 스케줄러에도 크게 세 가지 종류가 존재한다.
📌 스케줄러의 종류
- 장기 스케줄러(Long-term scheduler)/잡 스케줄러(Job scheduler)
- 디스크와 메모리 사이의 스케줄링 담당
- 어떤 프로세스에 메모리를 할당하여 ready queue로 보낼지 결정하는 역할
- 단기 스케줄러(Short-term scheduler)/CPU 스케줄러(CPU scheduler)
- 메모리와 CPU 사이의 스케줄링 담당
- 어떤 프로세스를 running 상태로 전환 시킬지 결정하는 역할
- 중기 스케줄러(Mid-term scheduler)/스와퍼(Swapper)
- 여유 공간을 마련하기 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아내는 역할(swap in/swap out)
📕 CPU 스케줄러
스케줄링 대상은 Ready Queue에 있는 프로세스들이다.
📌 FCFS(First Come First Served)
- 비선점형 스케줄링 방식
- 먼저 도착한 프로세스가 CPU를 먼저 할당.
- 큐를 이용해 쉽게 구현 가능
- ⚠ 콘보이 현상(Convoy Effect) 발생 가능
- burst time이 긴 프로세스가 먼저 도착해 다른 프로세스의 실행 시간이 전부 늦춰져 효율을 떨어뜨리는 현상
📌 SJF(Shortest Job First)
- 비선점형 스케줄링 방식
- burst time이 짧은 프로세스가 먼저 CPU를 할당
- ⚠ 기아 현상(Starvation) 발생 가능
- 계속해서 우선순위가 높은 프로세스(burst time이 짧은)가 먼저 실행되어 먼저 도착했어도 우선순위가 낮은 프로세스(burst time이 긴)가 계속해서 CPU를 할당받지 못하는 현상
📌 SRTF(Shortest Remaining Time First)
- 선점형 스케줄링 방식
- 남은 burst time이 더 짧은 프로세스에 CPU를 할당
- 기아 현상 발생 가능
📌 우선순위 스케줄링(Priority Scheduling)
- 선점과 비선점 두가지 방식에 모두 적용 가능
- 우선순위가 높은 프로세스에 CPU를 먼저 할당
- 기아 현상과 무기한 봉쇄가 발생할 수 있으며 에이징 기법을 통해 해결
- ⚠ 무기한 봉쇄(Indefinite blocking) : 실행 준비는 되어있으나 CPU를 사용못하는 프로세스를 CPU가 무기한 대기하는 상태
- ⚠ 에이징 기법(Aging) : 먼저 도착한 프로세스가 나이를 계속 먹으며 우선순위가 올라가는 기법
📌 라운드 로빈(RR, Round Robin)
- 선점형 스케줄링 방식, 현대적인 CPU 스케줄링
- 프로세스에 동일한 할당 시간(Time Quantum)만큼 순서대로 계속 CPU를 할당
- 응답시간이 빠르며, 모든 프로세스가 공정하게 CPU를 할당받을 수 있음을 보장
- ⚠ 단, CPU 할당 시간(Time Quantum)이 길 경우, FCFS랑 같아지며 반대로 짧을 경우 잦은 Context Switching으로 오버헤드가 발생한다.
그렇기 때문에 적당한 CPU 할당 시간을 설정하는 것이 중요하다.
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프로세스/스레드 내용 출처 : Link
스케줄러 내용 출처 : Link
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