이번 블로깅에 대해선 프로세스와 스레드 에 대해 넓고 얕게 알아보자.

먼저 들어가기 전에 간단하게 맛보기 개념을 봐보자.

우선 프로세스 는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다.
스레드 는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.

프로그램이 메모리에 올라가면 인스턴스화를 통해 프로세스가 되고, 이후 운영체제의 CPU가 이를 실행시키는 방식이다.

이제 좀 더 자세히 알아보자.

프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴화된 것을 말한다.
언어마다 조금씩 이 과정은 다를 수 있다. 가장 대표적인 C언어 기준으로 말해보자.

위의 컴파일 과정을 수행한다. 이런식의 컴파일 과정을 통해 인스턴스화를 진행하고, 이를 프로세스로 만든다.

프로세스의 상태

프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 갖는다. 각각에 대해 알아보자

1. 생성 상태

생성 상태는 말 그대로 프로세스가 생성된 상태를 의미하며, fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다. 이때 PCB가 할당된다.

• fork()
  이는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. 주소 공간만 복사하는 것이지, 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않는다.

• exec()
  이는 새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

2. 대기 상태

이는 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.

3. 대기 중단 상태

이는 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

4. 실행 상태

이는 CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미한다. 이를 CPU burst가 일어났다고도 말한다.

5. 중단 상태

이는 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태를 말한다. 예를 들어서 프린트 인쇄버튼을 눌렀을때 잠깐 프로세스가 멈출때?? 이를 예시로 들 수 있다.

6. 일시 중단 상태

이는 대기 중단과 유사하다. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

7. 종료 상태

이는 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다. 종료는 자연스럽게 종료하는 경우도 있지만, 부모가 자식을 강제 종료 시키는 비자발적 종료가 있다. 이는 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서 부모가 종료시키거나 사용자가 여러 명령어로 프로세스를 종료시킬 때 발생한다.

프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.

위에서부터 스택, 힙, 데이터 영역, 코드 영역으로 나뉜다. 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.
이에 대해 좀 더 자세히 다뤄보자.

스택과 힙

스택과 힙은 동적 할당이 되며, 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것을 말한다.
스택 은 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘거나 줄어드는 메모리 영역이다. 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 게속해서 저장된다.

힙 은 동적으로 할당되는 변수들을 담는다. 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우 힙 영역을 사용한다. 예를 들어 vector는 내부적으로 힙 영역을 사용한다.

데이터 영역과 코드 영역

이는 정적 할당되는 영역이다.
정적 할당 은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말한다. 여기서 데이터 영역은 BBS segment와 Data segment, code/text segment로 나뉘어서 저장하게 된다.

BBS segment 는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고, 0으로 초기화 또는 초기화가 어떤 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당되면 Data segment 는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수를 이 메모리에 할당한다.

code segment 는 프로그램의 코드가 들어간다.

PCB

이는 Process Control Block의 약자로 운영체제에서 프로세스에 대한 메타 데이터를 저장한 데이터 를 말한다. 프로세스의 제어 블록이라고도 한다.

• 메타데이터 란?

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

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고, 프로세스 주소 값들이 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리에 할당된다. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB 에 저장되어 관리된다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리 된다.

PCB의 구조

• 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

컨텍스트 스위칭

이는 앞서 설명한 PCB를 교환하는 과정을 말한다. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.

컴퓨터는 여러 프로그램을 동시에 실행하는 것이 아니라 단 한개만을 실행하고 있다. 우리가 여러개가 동시에 돌아간다고 생각하고 있는 이유는 이 컨텍스트 스위칭이 매우 빠르게 실행되고 있기 때문이다.

위에 그림처럼 A프로세스가 실행하다 멈추고 A의 PCB를 저장하고 B프로세스를 로드하여 실행한다. 그리고 B PCB에 저장하고 A PCB를 다시 불러오는 방식이다.
이때 컨텍스트 스위칭이 일어날떄 대기하는 유효기간 이 발생한다.

이뿐만 아니라 더 드는 비용이 있는데, 바로 캐시미스이다.
-> 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되는데, 이때 캐시미스 가 발생한다.

멀티프로세싱

이는 프로세스를 여러개 수행하는 것을 말한다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있다. 또한 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있어서 신뢰성까지 보장하게 된다.

웹 브라우저

대표적인 예시로 웹 브라우저가 멀티프로세스 구조를 가진다.

1. 브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당한다.
2. 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 '보이는'부분의 모든 것을 제어한다.
3. 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다.
4. GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다.

IPC

이는 Inter Process Communication 을 의미하며 프로세스 끼리 데이터를 주고 받고, 공유 데이터를 관리하는 매커니즘을 말한다.

멀티 프로세스는 IPC가 가능하다. 클라이언트에서 데이터를 요청하고 서버는 이에 대해 응답하는 것이 예시가 될 수 있다.

이에 대한 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다.

1. 공유 메모리

이는 여러 프로세스가 동일한 메모리 블록 에 대해 접근 권한이 부여되여 프로세스가 공유된 메모리에서 서로 통신하는 방식을 말한다.

어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고 받는 것이 아니라, 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르다. 대신에 같은 메모리 영역을 공유하기 때문에 동기화 작업이 필요하다.

2. 파일

파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말한다.

3. 소켓

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 예시로는 TCP, UDP가 있다.

4. 익명 파이프

이는 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며, 단방향 방식 의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다.
이는 부모, 자식 프로세스 간에서만 사용할 수 있다.

5. 명명된 파이프

이는 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프 를 말한다. 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다. 이를 통해 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.

6. 메시지 큐

이는 메시지를 큐에 형태로 관리하는 것을 의미한다. 이는 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 매우 직관적이며, 간단하다. 또한 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 접근할 수 있다느 장점이 있다.

스레드와 멀티스레딩

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위를 말한다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.
스레드는 코드, 데이터 힙 영역을 공유한다.

멀티스레딩

이는 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티 스레드로 처리하는 기법을 말한다. 이는 스레드끼리 자원을 서로 공유하기 때문에 효율성이 높다.
또한 동시성도 큰 장점이 있다.
하지만 한 스레드가 문제가 생기면 다른 스레드도 영향을 끼친다는 단점이 있다.

• 동시성

  서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것을 말한다.

공유 자원과 임계 영역

공유 자원이란?

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

이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰이는 상황을 경쟁 상태 라고 한다. 이 때문에 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 준다.

위의 그림이 예시가 될 수 있다.

임계 영역이란?

이는 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역 을 말한다. 이를 해결하기 위해선 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있다.
이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족한다. 이 방법에 토대가 되는 메커니즘이 잠금(lock)이다. 예를 들어 영역을 화장실이라고 한다면, A가 화장실에 들어갈때 문을 잠그고 가서 A가 나올때 다음 사람이 화장실을 쓰는 방식이다.

• 상호배제

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

• 한정 대기

  특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다.

• 융통성

  한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 된다.

1. 뮤텍스

이는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 방식이다.

2. 세마포어

이는 일반화된 뮤텍스이다.
간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait함수 미 signal함수로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

wait()는 자신의 차례가 올때까지 기달리는 함수이며, signal은 다음 프로세스 순서로 넘겨주는 함수를 말한다.

공유 자원에 접근하려면 세마포어에서 wait()를 수행하고 공유 자원을 해제하면 signal() 작업을 수행한다.

• 세마포어의 종류

1. 바이너리 세미포어
   0과 1의 두가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다. 이는 신호 메커니즘으로 신호를 기반으로 일어난다.

2. 카운팅 세마포어
   이는 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이다. 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용된다.

3. 모니터

이는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유자원을 숨기고, 해당 접근에 대해 인터페이스만을 제공한다.

교착 상태

이는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

원인

1. 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스는 접근이 불가능하다.
2. 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
3. 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
4. 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

해결방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 쓴다.

• 은행원 알고리즘

  총 자원의 양과 현재 할당한 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘

3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
4. 교착 상태는 매우 드물게 일어나고 비용이 크기 때문에 현대 운영체제에서는 사용자가 작업을 종료하는 방법을 채택했다.

마무리

이번 블로깅에선 프로세스와 스레드 에 대해 알아보았다. 이 블로깅의 목적은 깊게 배우는 것이 아니라 개발자 대회에 낄 정도의 넒고 얕은 지식을 목표로 하고 있다. 이 블로깅을 통해서 전체적인 프로세스와 스레드 에 대해 잡았으면 좋겠다. 그리고 감을 잡았고 좀 더 깊게 배우고 싶다면 이 블로깅의 키워드를 길로 잡아서 하나씩 공부해 나간다면 매우 도움이 될 것이라고 생각한다.