📃 프로세스와 스레드

JeongMin·2023년 9월 22일

운영체제

프로그램

컴퓨터에서 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 정적인 상태의 파일이라고 볼 수 있다.

프로세스

운영체제가 필요한 자원을 할당해준 실행 중인 프로그램이다.

프로세스 메모리 공간

프로세스의 메모리 공간은 code, data, stack, heap영역으로 가상 주소 공간이다.
프로세스는 가상 주소를 사용해 메모리에 접근하고 데이터를 읽거나 쓴다. 가상 주소는 실제 물리적인 메모리 주소로 매핑된다. 이를 통해 프로세스는 실제 물리적인 메모리 주소에 대한 관리를 운영체제에 위임하고, 가상 주소 공간을 사용해 메모리에 대한 편리한 추상화를 얻을 수 있다.

Stack영역

호출된 함수의 수행을 마치고 복귀할 주소 및 데이터(지역변수, 매개변수, 리턴 값 등)를 임시로 저장하는 공간이다. 프로그램이 자동으로 사용하는 메모리 영역이며 함수 호출 시 생성되고, 함수가 끝나면 반환된다.

컴파일 타임에 stack의 크기는 고정되어 있으며 런타임 시 stack 사이즈를 바꿀 수 없다. 명령 실행 시 자동으로 증가/감소하기 때문에 메모리의 마지막 번지를 지정한다.

Heap 영역

프로그래머가 필요할 때마다 사용하는 동적인 메모리 영역이다. heap 영역은 런타임에 결정된다. 이 영역은 메모리 주소 값에 의해서만 참조되고 사용된다.

자바에서 객체가 heap영역에 생성되고 GC에 의해 정리된다.

Data 영역

전역변수, 정적변수, 배열, 구조체 등이 저장되는 공간이다. 초기화된 데이터는 Data(GVAR)영역에 저장되고, 초기화되지 않으면 BSS 영역에 저장된다.

둘로 구분된 이유는 초기화된 데이터는 초기 값을 저장해야 하므로 Data 영역에 저장되어 ROM에 저장된다. 초기화되지 않은 데이터는 RAM에 저장해 ROM의 부담을 줄여준다.

Code 영역

코드 영역은 작성된 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령 형태로 변환되어 저장되는 공간이다.

읽기 전용 영역이기 때문에 프로세스가 변경할 수 없고 변경 시 오류를 발생한다.

코드 영역은 순차적으로 실행되고 읽기 전용으로 유지하기 위해 낮은 주소를 사용한다. 이렇게 할 경우 효율성, 보안, 일관성을 갖출 수 있다.

스레드

프로세스 안에서 한 가지 작업을 실행하기 위해 순차적으로 실행되는 하나의 흐름이다.

스레드 메모리 공간

프로세스와 메모리 공간을 일치한다. 하지만 프로세스와 다르게 stack을 제외하고 다른 공간은 공유한다.

프로세스와 스레드의 차이점

프로세스는 서로 다른 프로세스간의 메모리 공간 접근을 허용하지 않는다. 접근을 하기 위해서 프로세스간의 통신을 해야한다.
스레드는 같은 프로세스 안에서 실행되므로 code, data, heap은 공유하며 동작한다. 각각의 스레드들은 별도의 레지스터와 stack을 갖고 있다.
프로세스는 스레드의 컨테이너이다. 그래서 프로세스가 스레드에 비해 생성/종료 시간이나 컨텍스트 전환에 많은 시간이 소요되고 자원 소모도 많다.

프로세스 제어 블록(PCB)

PCB는 운영체제가 프로세스를 제어하기 위해 정보를 저장해 놓는 곳이다. PCB는 프로세스 상태 관리와 문맥 교환을 위해 필요하다.

PCB에 담긴 정보

포인터: 프로세스의 현재 위치를 저장하는 포인터 정보다.
프로세스 상태: 생성(New), 준비(Ready), 실행(Running), 대기(Waiting), 종료(Terminated) 상태를 저장한다.
프로세스 번호: 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호
레지스터: 레지스터 값은 프로세스의 실행 상태를 저장하고 복원하는데 중요한 역할을 한다. 그것을 통해 이전에 작업했던 것들을 그대로 실행할 수 있다.
CPU 스케쥴링 정보: 프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보도 기록된다.
메모리 관리 정보: 프로세스마다 메모리에 저장된 위치가 다르기 때문에 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보가 담겨있다. PCB에는 베이스 레지스터, 한계 레지스터 값과 같은 정보들이 담기고 페이지 테이블 정보도 담긴다.
사용한 파일과 입출력장치 목록: 어떤 입출력 장치가 이 프로세스에 할당되었는지, 어떤 파일들을 열었는지에 대한 정보가 담겨있다.

스레드 제어 블록(TCB)

스레드의 정보는 TCB에 저장된다. 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있으므로 PCB는 TCB 리스트를 뜻한다.

멀티 프로세스

여러 개의 프로세스가 서로 협력적으로 일을 처리하거나 작업을 병렬적으로 처리하는 것이다.

장점

각 프로세스 간 메모리 구분이 필요하거나 독립된 주소 공간을 가져야 할 때 사용한다.
대용량 데이터의 처리 시간을 줄이기 위해 데이터를 분할하여 병렬로 처리하는데 사용될 수 있다.
여러 프로세스가 같이 작업하고 있기 때문에 하나의 프로세스가 비정상적으로 종료되어도 문제가 되지 않는다.

단점

성능이 느리고 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU를 차지한다.
문맥교환 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 시간이 많이 소모되어 오버헤드가 발생한다.

멀티 스레드

하나의 프로세스안에서 동시에 실행되는 흐름이 여러 개인 것이다.

장점

시스템 자원 소모가 감소하여 자원의 효율성이 증대한다.
스레드 사이 작업량이 적어 문맥교환이 빠르다.
스레드는 스택 영역을 제외하고 메모리 영역을 공유하기 때문에 프로세스에 비해 적은 비용으로 새로운 스레드를 생성할 수 있다. 그리고 통신 비용이 적다.

단점

자원을 공유하기 때문에 동기화 문제가 발생할 수 있다. 그래서 공유되는 데이터가 충돌이 되지 않도록 관리해야 한다. (병목현상, 데드락 등)
스레드의 개수가 많으면 낭비될 수 있고 한 스레드가 CPU를 점유할 수 있는 시간도 줄어들게 된다.

스레드 풀

스레드를 생성하는 비용을 최소화하기 위해 생긴 것이다.
프로세스 실행 시에 필요한 만큼 미리 만들어 재사용하는 것을 의미한다.
스레드 풀을 사용하면 스레드의 생성, 삭제 비용을 줄일 수 있다. 하지만 필요한 스레드의 수를 정확히 파악하지 않으면, 미리 만들어 놓은 스레드를 사용하지 않아 메모리 낭비가 발생할 수 있다.

프로세스 상태 변화 과정

프로세스의 상태 변화는 운영체제의 스케쥴러에 의해 관리된다.

디스패치에 의한 준비(Ready) → 실행(Running)

Ready Queue 맨 앞에 있던 프로세스가 프로세서를 점유하는 것을 디스패치라고 한다.

타임아웃에 의한 실행(Runnig) → 준비(Ready)

타임아웃에 의한 인터럽트가 발생하면 실행 상태의 프로세스는 Ready Queue의 가장 뒷 단에 위치하고 Ready Queue의 첫 번째 프로세스는 Running 상태가 된다.

Block에 의한 실행(Running) → 대기(Wait)

할당된 시간 이전에 실행 상태의 프로세스에 IO연산이 필요하거나 새로운 자원 요청 등이 발생하면 프로세스는 스스로 프로세서를 양도하고 대기 상태가 된다.

wakeup에 의한 대기(Wait) → 준비(Ready)

프로세스는 입출력 작업이 끝나면 wake up으로 대기에서 준비 상태가 된다.

문맥 교환(context switch)

인터럽트나 시스템 호출 등으로 실행 중인 프로세스의 제어를 다른 프로세스에 넘겨 실행 상태가 되도록 하는 것을 프로세스 문맥 교환이라고 한다.
프로세스 문맥 교환이 일어나면 프로세스 레지스터의 정보를 PCB에 저장한다.
캐시 초기화, 메모리 매핑 초기화, 항상 실행되어야 하는 커널 등의 작업들 수반으로 문맥 교환은 많은 시간이 소요된다. 이것을 오버헤드라고 한다.
문맥 교환은 멀티 태스킹 환경에서 프로세스를 전환할 때, 인터럽트가 발생 했을 때, 사용자 모드와 커널 모드 사이의 전환이 필요할 때 발생한다.