Process & Thread

💡 Program vs Process vs Thread

• Program - 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일
• Process - 연속적으로 실행되고 있는 프로그램, 고유 공간과 자원을 할당받아 사용
• Thread - 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름 단위, 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하며 사용
  

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프로세스(Process)

• 실행중인 프로그램, 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스 (독립적인 개체)

• 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것.

• 운영체제로부터 별도의 독립적인 주소공간, 파일, *메모리 등을 할당받음
  -> 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위

  *메모리 - Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

  • Code : 프로그램 실행 코드 또는 함수들이 저장되는 영역 -> 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)

  • Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등의 초기화된 데이터들이 저장되는 영역, 프로그램이 실행될 때 생성되고 종료되면 시스템에 반환 되어 프로그램이 종료될 때까지 유지되어야 하는 데이터가 저장됨

  • Stack : 함수의 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 자료들이 저장되는 영역, 함수 호출시 생성되며, 함수가 끝나면 반환 되어 잠깐 사용되고 메모리에서 소멸시킬 데이터가 저장됨.
    스택 크기는 각 프로세스마다 할당되며 프로세스가 메모리에 로드될 때 사이즈가 고정됨 -> 런타임시 stack 사이즈를 바꿀 수 X

  • Heap : 필요에 의해 메모리를 동적으로 할당 할 때 사용하는 메모리 영역(new(), malloc()) -> 프로그래머가 마음대로 사용할 수 있는 영ㅇ역

    ** 참고
    Stack과 Heap 은 같은 공간을 공유 ( heap - 메모리의 낮은 주소부터 할당, stack - 높은 주소부터 할당 )
    -> stack overflow, heap overflow : 각 영역이 상대 공간을 침범하는 것

• 프로세스당 최소 1개의 스레드 (메인 스레드)를 가짐

• 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행, 다른 프로세스의 메모리, 변수나 자료구조에 직접 접근 X
  접근 방법 : 프로세스 간의 통신(IPC) 사용 필요

💡 PCB (Process Control Block)

운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 생성한 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조

• 프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 함
• 반환시 작업의 진행 상황을 모두 PCB 에 저장
• 이후 CPU를 다시 할당받게 되면 PCB에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부타 작업 재수행
• PCB 저장 정보
  • 프로세스 식별자(Process ID, PID) : 프로세스 식별번호
  • 프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장
  • 프로그램 카운터 : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
  • CPU 레지스터
  • CPU 스케쥴링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
  • 메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
  • 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
  • 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등

💡 프로세스 간의 통신 (IPC, Inter-Process Communication)

프로세스끼리 자원이나 데이터를 서로 주고받는 행위 또는 그에 대한 방법이나 경로
자세한 내용 참고

IPC가 필요한 이유

• 정보 공유 (Information sharing) : 여러 사용자가 동일한 정보를 필요로 함
• 계산 가속화 (Computation speedup) : 특정 작업(task)를 빠르게 실행하기 위해, 해당 작업을 부분 작업(sub-task) 로 나눠서 병렬로 실행
  - 모듈성 (Modularity) : 특정한 시스템 기능을 별도의 프로세스(스레드)로 구분하여 모듈식 형태로 시스템 구성
• 편의성 (Convenience) : 여러 사용자들이 동시에 많은 작업 수행

IPC 종류

• 메시지 전달 (Message Passing)
  • 커널을 통해 메시지 전달, 자원이나 데이터 주고받음
  • 별도의 구축없이 커널을 이용하기 때문에 비교적 구현 쉬움
  • 커널을 이용하기 때문에 시스템 콜이 필요 -> 오버헤드 발생
  • 파이프, 시그널, 메시지큐, 소켓 등
• 공유 메모리 (shared Memory)
  • 공유 메모리 영역을 구축하고 이 영역을 통해 자원이나 데이터 주고받음
  • 커널 의존성이 낮음 -> 속도 빠름, 유저 레벨에서 진행되기 때문에 자유로운 통신
  • 자원과 데이터를 공유하기 때문에 발생하는 동기화 이슈

• 익명 PIPE - 한쪽 방향으로만 통신이 가능한 반이중 통신
• Named PIPE(FIFO) - 익명 파이프의 확장된 상태로 부모 프로세스와 무관한 다른 프로세스도 통신이 가능한 것
• 메모리 맵 - 공유 메모리처럼 메모리를 공유. 열린 파일을 메모리에 맵핑시켜서 공유하는 방식(즉 공유 매개체가 파일+메모리)
• 소켓 - 네트워크 소켓 통신을 통해 데이터를 공유
• IPC 통신에서 프로세스 간 데이터를 동기화하고 보호하기 위해 세마포어와 뮤텍스 를 사용
  (공유된 자원에 한번에 하나의 프로세스만 접근시킬 때)

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스레드(Thread)

• 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위, 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

• 프로세스의 특정한 수행 경로

• 스레드 ID, 프로그램카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성

• Stack - 따로 할당, Code, Data, Heap 영역은 공유

  • 스레드는 별도의 레지스터와 스택 을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 O
  • 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 O

• ✅ Stack을 스레드마다 독립적으로 할당 하는 이유

  • Stack - 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간
  • 스택 메모리 공간이 독립적이다 == 독립적인 함수 호출이 가능하다 => 독립적인 실행 흐름 (스레드의 정의, 프로세스의 실행 단위를 만족하기 위한 최소 조건)

• ✅ PC Register를 스레드마다 독립적으로 할당 하는 이유
  • pc - 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타냄
  • 스레드는 CPU를 할당받고 스케줄러에 의해 다시 선점당함 -> 명령어가 연속적으로 수행X, 마지막 수행 위치를 기억해야 함

💡 스레드 간 데이터 공유

별도의 자원을 이용하는 것이 아닌 전역 변수의 공간 이용
메모리 공간을 공유 하기 때문에 데이터 세그먼트, 전역 변수를 이용하여 구현 가능

멀티스레드의 경우 충돌 문제가 발생하지 않도록 동기화 문제 해결 필요

💡 Thread-safe

멀티스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 하나의 공유자원에 접근할 때, 의도대로 동작하는 것

• 구현방법 - 참고
  • 상호배제 - 공유 자원에 접근하는 임계영역(Critical Section)을 동기화 기법으로 제어
    한 스레드가 자원에 접근할 때 다른 스레드의 접근을 막음
    Mutex / Semaphore 이용
• Reentrant
  • 재진입성 - 여러 스레드가 동시에 접근해도 언제나 같은 실행 결과 보장
  • 해당 서브루틴에서는 공유자원 사용하지 않기
    Ex) 정적(전역)변수를 사용하거나 반환 X, 호출시 제공된 매개변수만으로 동작
  • Reentrant -> Thread-Safe
    Thread-Safe -> Reentrant (역은 성립하지 X)

💡 스레드 동기화

Thread-Safe는 Synchronized 와 같나 ❓
➡ Thread-safe 는 여러 스레드의 접근으로부터 안전한 거고
    Synchronized는 동기화 객체를 이용해 멀티스레드 환경에서 2개의 스레드가 동시에 한 함수 / 코드블럭에 접근하지 못하도록 막는 것!

• 동기화 객체의 종류
  • 동기화용 커널 객체 : Mutex, Semaphore, Event
  • 유저 모드 동기화 객체 : Critical Section
• 스레드 동기화 방법
  • 실행 순서의 동기화 : Event
    • 스레드의 실행순서를 정의하고, 이 순서에 반드시 따르도록 하는 것
  • 메모리 접근에 대한 동기화 : Mutex, Semaphore
    • 메모리 접근에 있어서 동시접근을 막는 것
    • 실행의 순서가 중요한 상황이 아니고, 한 순간에 하나의 스레드만 접근하면 되는 상황을 의미
• 동기화 기법의 종류
  • 유저 모드 동기화
    • 커널의 힘을 빌리지 않는(커널 코드가 실행되지 않는) 동기화 기법
    • 성능상 이점, 기능상의 제한
    • Ex) Critical Section 기반의 동기화, 인터락 함수 기반의 동기화
  • 커널 모드 동기화
    • 커널에서 제공하는 동기화 기능을 활용하는 방법
    • 커널 모드로의 변경이 필요하고 이는 성능 저하로 이어짐, 다양한 기능 활용 가능
    • Ex) Mutex 기반의 동기화, Semaphore 기반의 동기화, 이름있는 뮤텍스 기반의 프로세스 동기화, Event 기반의 동기화

✅Mutex vs Semaphore (상호배제)

• Mutex -locking
  
  • 공유된 자원의 데이터에 하나의 Process 혹은 Thread가 접근하는 것을 막는 것(=> 동기화 대상이 하나)
  • Critical Section을 가진 스레드의 Running time이 서로 겹치지 않도록 각각 단독으로 실행하게 하는 기술
  • synchronized 또는 lock을 사용하여 다중 프로세스들의 공유 리소스에 대한 접근 조율
  • 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 X
• Semaphore -signaling
  
  • 공유된 자원의 데이터에 여러 Process 혹은 Thread가 접근하는 것을 막는 것
  • wait를 호출하면 세마포어의 카운트를 1줄이고, 세마포어의 카운트가 0보다 작거나 같아질 경우에 락이 실행
  • 리소스 상태를 나타내는 간단한 카운터로 생각할 수 있음
  • 운영체제 또는 커널의 한 지정된 저장장치 내의 값
  • 일반적으로 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 이용
  • 공유 리소스에 접근할 수 있는 프로세스의 최대 허용치만큼 동시에 사용자가 접근하여 사용
  • 각 프로세스는 세마포어 값은 확인하고 변경 가능
  • 사용 중이지 않는 자원의 경우 그 프로세스가 즉시 자원을 사용 가능
  • 이미 다른 프로세스에 의해 사용 중이라는 사실을 알게 되면 재시도하기 전에 일정 시간을 기다림
  • 세마포어를 사용하는 프로세스는 그 값을 확인하고, 자원을 사용하는 동안에는 그 값을 변경함으로써 다른 세마포어 사용자들이 기다리도록 해야 함
  • 세마포어는 이진수 (0 또는 1)를 사용하거나, 또는 추가적인 값을 가질 수도 있음
• 차이
  • 동기화 대상의 개수
    • Mutex - 동기화 대상이 하나
    • Semaphore - 동기화 대상이 하나 이상
  • Semaphore는 Mutex가 될 수 있지만 Mutex는 Semaphore가 될 수 없다.
  • Mutex는 상태가 0, 1 두 개 뿐인 binary Semaphore -> lock 가질 수 O
  • Semaphore는 소유할 수 없는 반면, Mutex는 소유가 가능하며 소유주가 이에 대한 책임 가짐
  • 해제
    • Mutex - Mutex를 소유하고 있는 스레드가 해당 Mutex를 해제할 수 있음
    • Semaphore - 해당 Semaphore를 소유하지 않는 스레드가 Semaphore를 해제할 수 있음
  • 범위
    • Mutex - 프로세스 범위를 가지며 프로세스가 종료될 때 자동으로 Clean up
    • Semaphore - 시스템 범위에 걸쳐있고 파일시스템상의 파일 형태로 존재

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멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

💡 멀티 프로세스

하나의 컴퓨터에 여러 CPU, 하나 이상의 프로세스 동시 병렬 처리

• 장점
  • 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향 X,
  • 안전성 (메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결함)
• 단점
  • 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간 차지
  • 독립된 메모리 영역을 가지고 있어 작업량이 많을 수록 오버헤드 발생
  • Context Switching 으로 인한 성능 저하
  ** 참고 **
  Context Switching - 프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정
  동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고,
  대기하고 있던 다음 순번의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스 상태를 복구하는 과정

💡 멀티 스레드

하나의 응용 프로그램에서 여러 스레드 구성, 각 스레드가 하나의 작업 처리
스레드들이 공유 메모리를 통해 다수의 작업을 동시에 처리하도록 함

• 장점
  • 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간 차지, 빠른 Context Switching
  • 전역 변수와 정적 변수에 대한 자료 공유 가능
• 단점
  • 오류로 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드 종료될 수 있음, 안전성 문제
  • 동기화 문제

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

여러 프로그램을 키는 대신, 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결

• 자원의 효율성 증대
  • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어듬
  • Context Switching 시 CPU Register 교체 뿐만 아니라 RAM 과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화 -> 오버헤드 큼
• 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
  • Stack 영역을 제외한 모든 메모리 공유 -> IPC 보다 통신 비용이 적음
  • Context Switching 시 Stack 영역만 처리 -> 스레드 간의 전환 속도가 빠름

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참고

https://github.com/JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner/tree/master/OS#%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4
https://github.com/WeareSoft/tech-interview/blob/master/contents/os.md#%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4
https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/Process%20vs%20Thread.html
https://worthpreading.tistory.com/m/90