프로세스 & 스레드
- 프로세스(Process) : 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위
- 스레드(Thread) : 프로세스가 할당 받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위
프로세스와 프로그램
- 프로그램(Program): 컴퓨터에서 실행할 수 있는 파일 → 실행하지 않은 상태의 코드 덩어리
- 프로세스(Process): 프로그램이 돌아가고 있는 상태
스레드는 프로세스 내부에서 진행되고 있는 작업의 단위이자 갈래이다. 프로세스 내부에서 2개 이상의 스레드의 흐림이 발생하면 멀티-스레딩(Multi-Threading)이라고 한다.
멀티 스레딩을 이야기 할때 빠지지 않는 말이 동시성(Concurreny)과 동기화 이슈이다.
프로세스가 시작되면서 사용할 수 있는 메모리 공간을 할당 받는다. 그리고 프로세스 내부에는 여러 스레드들이 생성되게 되는데 이때 스레드들은 제한된 프로세스의 내부 메모리 크기 내에서 자원을 사용한다.
동기화 기법 - Mutex, Semaphore, Monitor
동기화는 동시에 접근해서는 안되는 자원에 동시에 접근하지 않도록 제어하는 과정, 또는 특정 조건이 만족해야 실행할 수 있는 상황에서 올바른 순서대로 실행하게 하는 것을 의미한다.
Mutex ( Mutual Exclusion : 상호 배제 ) Lock
동시에 접근해서는 안되는 자원에 동시에 접근하지 못하도록 만드는 도구, 상호 배제를 위한 동기화 도구.
공유된 자원의 데이터 또는 임계영역 등에 하나의 프로세스나 스레드가 접근하는 것을 막아줌. (동기화 대상이 하나)
acquire 함수 - 임계 구역이 잠겨있으면 임계 구역을 반복하며 확인하고, 잠겨있지 않으면 임계 구역을 잠근다.
acquire() {
while ( lock == true ) ;
lock == true;
}→ 임계 구역이 잠겨있는지 반복해서 확인하는 대기 방식을 Busy Wait이라고 한다.
release 함수 - 임계 구역의 작업이 끝난 후 호출하는 함수. 잠긴 임계구역을 열어주는 함수.
release() {
lock = false;
}- 둘 이상의 스레드가 동시에 접근해서는 안되는 공유 자원을 접근하는 코드의 일부를 말한다.
- 임계구역은 지정 기간이 지난후 소멸된다.
Semaphore
공유된 자원의 데이터 혹은 임계영역에 여러 프로세스나 스레드가 접근하는 것을 막음. (동기화 대상이 하나 이상)
공유된 여러 개의 자원에 대한 접근을 제한하는 방법으로서, 원자적 함수로 조작되는 정수 변수를 말한다.
정수 변수는 임계 구역에 들어가기 전에 수행하는 P()와 임계 구역을 나올 때 실행되는 V()에 의해 변경된다.이때 두 함수의 연산은 원자성을 유지해주어야 한다.
Busy Wait을 사용하는 방식
P() , wait()
wait() {
while ( S <= 0 ) // 임계 구역에 들어올 수 있는 프로세스가 없으면
; // 사용 가능한 자원을 반복적으로 확인
S--; // 가용 자원이 있으면 자원의 개수를 하나 줄인다.
}V(), signal()
signal() {
S++; // 임계 구역에서 작업을 마치고 S를 1 추가한다.
}→ Mutex와 마찬가지로 위 방식을 통해서 Busy Wait 상태가 발견된다. Busy Wait의 경우 가용 리소스를 반복문을 지속해서 사용하면서 CPU의 리소스를 계속 사용함
Block Semaphore를 사용하는 방식
→ Busy Wait의 단점을 보완하는 방식. 사용할 수 있는 리소스가 없을 때, 프로세스를 대기 상태로 전환하고 해당 프로세스의 PCB를 대기 큐에 넣음
→ 이후 가용 상태를 알리는 signal()함수로 대기 상태인 프로세스를 준비 상태로 변경하고 준비 큐로 옮겨 리소스를 사용할 수 있게 함
P() , wait()
wait() {
S--;
if ( S < 0 ) { // 가용 리소스가 없을 때
add this process to Queue; // 프로세스를 대기 큐에 넣고
sleep(); // 프로세스를 대기 상태로 전환
}
}V(), signal()
signal() {
S++;
if ( S <= 0 ) { // 대기 큐에서 프로세스를 뺀다면
remove process from Queue // 대기 큐에서 프로세스를 제거
wakeup(p); // 프로세스를 준비 상태로 전환
}
}wait(P), signal(V) 함수의 경우 독립적이기 때문에 잘못 사용하는 경우 문제가 발생한다.
P -> 임계 구역 -> P: 프로세스가 P함수에 진입 후 빠져나올 수 없다. 동시에 다른 프로세스/스레드가 임계 구역에 들어올 수 없는 상태기 때문에DeadLock(교착상태)에 빠진다.V → 임계 구역 → P: 2개의 프로세스가 동시에 임계구역에 들어가는 경우 상호 배제(Mutual Exclusion)를 보장할 수 없다.
Monitor
Semaphore는 wait과 signal을 개별로 명시해주어야 하는데, 이 과정이 번거롭거나 혹여, 두 함수의 순서가 꼬이는 상황이 발생하게 되면 원하지 않는 결과를 얻게 될 수 있다.
이런 부작용을 안전하게 하기 위해 Monitor라는 새로운 동기화 도구가 나왔다. 모니터를 사용하면 공유 자원에 접근은 공유 자원과 연결된 통로(인터페이스)를 통해서만 접근할 수 있도록 한다.
CPU Scheduling
FCFS Scheduling
- 큐에 먼저 들어오는 순서대로 처리하는 스케줄링 방식
- 비선점형
- 큐 내부에 본인보다 앞에 위치한 프로세스가 모두 끝이나야 처리할 수 있다. → 호위 효과(Convey Effect)
SJF( Short Job First ) Scheduling
- CPU 점유 시간이 짧은 프로세스부터 먼저 처리
- 비선점형
RR( Round Robin ) Scheduling
- FCFS 스케줄링 + 타임 슬라이스( 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 시간 )
- 선점형
- 프로세스가 담긴 큐의 순서대로 타임 슬라이스만큼 CPU를 사용하고 큐의 맨 마지막으로 이동한다. 타임슬라이스가 끝나기 전에 프로세스가 완료되면 다음 프로세스를 실행한다.
- 프로세스가 변경되면서 문맥교환(Context Switching)이 발생한다.
- 타임 슬라이스에 따라 성능이 갈리며, 너무 큰 경우 FCFS에서의 호위효과가 발생하고, 너무 작은 경우 문맥 교환에 많은 비용이 발생할 수 있다.
Priority Scheduling
- 프로세스에 부여한 우선순위에 따라 프로세스를 실행하는 방법
- 프로세스의 잔여 작업시간을 비교해서 우선순위를 부여
- 우선순위 따라 프로세스를 처리하기 때문에 큐에 먼저 삽입되었더라도 우선순위가 낮아 늦게 처리되는 기아(starvation)현상이 발생함 → 대기 시간이 길어지는 프로세스의 우선순위를 조절하는 에이징(Aging) 방식으로 개선
Multi-Level Queue
- 우선순위 큐를 여러개 가지는 스케줄링 형태
- 큐의 우선순위에 따라 처리하는 프로세스 큐가 정해지며, 우선순위가 높은 큐가 비어있으면 다음 큐를 처리
- 큐별로 관련있는 프로세스를 처리할 수 있고, 서로 다른 타임 슬라이스를 지정할 수 있으며, 서로 다른 스케줄링 기법을 사용할 수 있음
Multi-Level Feedback Queue
- 기존의 다단계 큐에서 우선순위 낮은 프로세스가 계속 연기되는 기아현상이 발생 → 완료되지 않은 프로세스를 다시 큐에 삽입할 때 다른 큐에 삽입할 수 있도록하여 이전의 다단계 큐보다 더욱 발전된 형태로 개선
- 새롭게 준비 상태가 된 프로세스를 가장 우선순위가 높은 큐에 삽입하고 타임 슬라이스 동안 실행
→ 실행이 끝나면 다음 우선순위 큐에 삽입 ( 실행시간이 긴 프로세스는 자연스럽게 우선순위가 낮아짐 )
→ 앞서 나왔던 에이징 기법을 통해 우선 순위 큐의 순서를 조절하여 기아 현상을 해결할 수 있음
Race Condition
여러 프로세스가 동시에 데이터에 접근할 때 실행 순서에 따라 결과 값이 달라지는 현상
Race Condition는 리소스에 여러 프로세스가 자원을 공유할 때 처리 순서에 따라 결과가 달라질 수 있다는 점과 리소스의 일관성을 보장할 수 없다는 점에서 문제가 발생할 수 있음
Dead Lock ( 교착 상태 )
리소스를 공유하는 과정에서 서로 다른 프로세스의 요구가 얽혀서 어느 한 쪽의 프로세스도 자원을 이용하지 못하고 모두 대기상태에 빠지는 것을 의미
- 조건
- 상호배재 ( Mutual Exclusion )
→ 한 자원에 하나의 스레드만 접근 가능
2. 점유대기 ( Hold and Wait )
→ 공유 자원에 대한 락을 통해 점유하고 있는 상황에서 다른 자원에 대한 사용을 기다리는 상태
3. 비선점 ( No Preemption )
→ 필요한 리소스를 다른 스레드가 선점하고 있어 스레드 도중에 뺏을 방법이 없는 상태
4. 순환대기 ( Circular Wait )
→ 여러 프로세스/스레드가 자원을 요청하는 구조가 순환하는 형태