[OS] 프로세스 & 스레드

위영민(Victor)·2021년 5월 3일

용어 정리
- 프로세스
- 프로세서
- 프로세스
- 스레드
프로세스
- 멀티태스킹(Multitasking)
- 프로세스 상태
- PCB(Process Control Block)
- 문맥 교환(Context Switching)
- 멀티 프로세스
스레드
- 스레드 구조
- 멀티 프로세스 VS 멀티 스레드
- GIL
요약 정리

프로그램(Program)

✔ 작업을 위해서 실행할 수 있는 파일(= 애플리케이션, .exe 파일)
= 하드디스크, SSD와 같은 보조기억장치에 저장되어 있는 실행코드와 정적인 데이터

작업관리자에서 확인한 현재 실행중인 여러 프로그램(.exe)

프로세서(Processor)

✔ 하드웨어 측면 = 프로그램을 수행하는 유닛
✔ 소프트웨어 측면 = 데이터 포맷을 변환하는 역할을 수행하는 데이터 프로세싱 시스템
ex) 컴파일러, 어셈블러,워드프로세서 등이 포함

프로세서(Processor) or CPU(Central Processor Unit)은 제어장치, 연산장치, 레지스터, 데이터 버스로 구성된 디지털 시스템의 핵심 부분
프로그램을 기억장치(메모리)로부터 읽어 연산처리, 비교처리, 데이터 전송,편집,변환, 테스트와 분기 등의 데이터를 처리하고, 각종 장치를 구동하는 역할

프로세스(Process)

✔ 실제 메모리에 적재되어 프로세서에 의해 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램
= 실제 CPU를 차지해서 수행중인 프로그램

멀티태스킹(Muti-tasking)

Task = 프로세스의 개념에서 조금 확장된 개념
이러한 Task가 하나의 프로세서 상에서 OS의 스케쥴링 방식에 따라 아주 빠른 시간사이에, 조금씩 번갈아가면서 수행되는 것
유저가 느끼기에는 마치 동시(Concurrency)에 처리되는 것 처럼 보임
실제로는 동시에 처리되는 것이 X
Ex) PC로 멜론 노래들으면서 한컴타자연습하는 것

멀티태스킹 스케쥴링 방식

멀티프로그래밍 방식(Multi-programming)
시분할 방식(Time-sharing)
실시간 시스템 방식(Real-time)

멀티태스킹 종류

비선점형(Non-preemptive) 방식
선점형(Preemptive) 방식

프로세스 상태

프로세스 기본상태

New(생성) = 프로세스가 막 생성된 상태
Ready(준비) = 프로세스가 CPU에 실행되기 위해 대기중인 상태
Running(실행) = 프로세스에 포함된 명령어가 실행되고 있는 상태
Waiting(대기) = 프로세스가 특정 자원이나 이벤트를 기다리고 있는 상태
Terminated(종료) = 프로세스가 실행을 완료한 상태

상태 전이 동작

Ready ⇒ Running = (Dispatch) 우선순위가 높은 프로세스 선점해서 명령어 실행
Running ⇒ Ready = 클럭이 인터럽트 신호를 발생시켜서 CPU제어권을 빼앗음, 선점(Preemptive)
Running ⇒ Waiting = (Block) 프로세서가 입출력, 자원 등을 기다리기 위해 대기상태로 전환
Waiting ⇒ Ready = (Wake Up) 입출력이 완료되거나 자원이 할당되어 다시 실행가능한 상태

PCB(Process Control Block)

PCB = 프로세스 제어 블록

⇒ 특정한 프로세스를 관리할 필요가 있는 정보를 포함하는 OS 커널의 자료구조
⇒ OS가 프로세스 스케쥴링을 위해, 프로세스에 관한 모든 정보를 가지고 있는 데이터베이스 같은 것

각 프로세스가 생성(New)될 때마다 고유의 PCB가 생성되고, 프로세스가 완료(=종료,Terminated) 되면, PCB는 제거됨
프로세스는 CPU를 점유해서 작업을 처리하다보니, 다른 프로세스의 상태 전이가 되면, 진행하던 내용들을 모두 정리하고 CPU를 반환해야 됨
이때 진행하던 작업들을 모두 저장하지 않으면, 다음에 다시 자신의 순서가 왔을 때, 어떠한 작업을 해야하는지 알 수 없는 사태가 발생
따라서, 프로세스는 CPU가 처리하던 작업의 내용들을 자신의 PCB에 저장하고, 다음에 다시 CPU를 점유하여 작업을 수행할 때, PCB에 있는 정보들을 CPU에 넘겨와서, 진행 중이던 작업을 이어서 진행함

PCB(Process Control Block) 안에 정보들

프로세스 식별자(Process ID, PID)
프로세스 상태(Process State)
- 생성, 준비, 실행, 대기, 완료 상태가 표시
레지스터(Register)
- CPU에서 명령이나 주소를 들고있는 CPU에 한 부분
카운터(Counter)
- 해당 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 나타냄
CPU 스케쥴링 정보
- 우선 순위, 최종 실행시각, CPU 점유시간 등
메모리 관리 정보(Memory limits(
- 해당 프로세스의 주소 공간 등
포인터(Pointer)
- 부모프로세서에 대한 포인터, 자식 프로세스에 대한 포인터, 프로세스가 위차한 메모리 주소에 대한 포인터, 할당된 자원에 대한 포인터 정보 등

문맥 교환(Context Switching)

하나의 프로세스가 실행(Running)중이던 == CPU를 사용 중이던 상태에서 다른 프로세스가 CPU를 사용하도록 하기 위해, 이전에 프로세스의 상태(=문맥, State)를 보관하고, 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 작업

시스템 콜(System Call)
: OS(커널)의 서비스를 호출하여 사용하는 것
응용 프로그램이 시스템 자원을 사용해서 작업을 하려고 하면 시스템 콜을 사용해야 함

입터럽트(Interrupt)
: 프로세서가 프로그램을 실행(Running) 도중 HW 또는 SW 문제 때문에 프로그램 실행 순서를 우선 순위가 급한 이벤트를 수행 후, 다시 원래 프로그램으로 복귀하여 나머지 프로그램을 수행하는 것

Block( Running ⇒ Waiting ) 된 프로세스의 정보는, 해당 프로세스 PCB에 기록됨

문맥 교환 시점

멀티태스킹
인터럽트 핸들링
사용자 모드 ↔ 커널 모드 전환

프로세스 구조

크게, Stack, Heap, Data, Code 로 나뉜다.

Stack(스택) : 지역변수, 임시데이터 관리
Heap(힙) : 동적 메모리 관리 ( C의 malloc, Node, JVM의 힙 메모리)
Data(데이터) : 전역변수, 초기화 된 데이터, 변수에 메모리 영역이 저장되는 공간
Code(코드) : 실행 가능한 코드를 관리(컴파일 된 결과물)

스레드(Thread)

✔ 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위, 실제로 작업을 수행하는 주체

모든 프로세스는 한 개 이상의 스레드(메인 스레드)가 존재하고, 작업을 수행함
또한, 2개 이상의 스레드를 가지는 프로세스를 멀티스레드 프로세스라고 함

스레드 구조

스레드는 Stack만 따로 할당 받음
Code, Data, Heap 영역은 공유
각각의 스레드는 별도의 Register 와 Stack 을 갖고 있지만, Heap 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있음
한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(Sibling Thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다. ( ★ 장점이자 단점 )

동시성 vs 병렬성

동시성(Concurrency)

동시성은 적어도 두 개의 스레드가 진행 중일 때 존재하는 조건임
시분할(Time-Slicing)을 포함한다.
우리가 "동시"라고 말하지만, 컴퓨터(코어, Core)는 실제로는 한번에 하나의 명령어만 처리할 수 있음
즉, 2개 이상의 알고리즘(프로그램)이 하나의 Core내에서 스레드간에 아주 빠르게, 교차하면서(Context Switching) 하면서 실행되기 때문에 "동시"라고 느끼는 것일 뿐임

병렬성(Parallelism)

적어도 2개 이상의 코어(Core)가 있어야 함
이는 쉽게 말해서, 뇌가 2개 이상이라고 생각하는 것이 좋을 것 같음
실제로 그래서, 컴퓨터를 코어(Core) 수에 따라
- 듀얼 코어(Dual-Core)
- 트리플 코어(Triple-Core)
- 쿼드 코어(Quad-Core)
- ....
병렬성도 동시성을 의미하지만, 동시성과의 차이는 각 코어내의 스레드가 실제로 동시에 명령어를 실행할 수 있음을 의미함
따라서, 두개의 알고리즘(프로그램) 정확히 같은 시점에 실행될 때, 우리는 병렬적이라고 함

관련 추가 조사할만한 내용

CPU 바운딩

I/O 바운딩

멀티 프로세싱 vs 멀티 스레싱 차이

멀티 프로세싱(Muti-Process)

하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성해서, 각 프로세스가 하나의 작업(Task)을 처리하도록 하는 것

장점
- 여러 개의 자식 프로세스 중 하나의 문제가 발생하면, 그 자식 프로세스만 죽이면 그만이다.
단점
- 빈번한 문맥교환(Context Switching)에서의 오버헤드 발생
  - 어떤 면에서 오버헤드라는 것인가 ?
    - Context Switching 과정에서, 실제로 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간(실제로는 아주 작은 시간이겠지만..)이 소모되는 등의 오버헤드가 발생
    - 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에, 프로세스 사이에 공유하는 메모리가 없어, Context Switcing이 발생하면, 현재 캐시에 있는 모든 데이터를 내리고, 다시 캐시 정보를 로드(Load)해야 함
- 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
  - 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수 공유가 X

멀티 스레싱(Muti-Threading)

하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고, 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것

Windows, Linux 등 많은 운영체제들이 멀티프로세싱을 지원하고 있지만, 실제로는 멀티스레딩을 기본으로 하고 있다.
장점
- 시스템 자원 소모 감소 ( 자원의 효율성 증대 )
  - 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
- 시스템 처리량 증가 ( 처리 비용 감소 )
  - 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고( 공유하니깐 ) 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
  - 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching 이 빠르다.
- 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
  - 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리(Code, Heap, Data)영역을 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.
단점
- 주의 깊은 설계가 필요함
- 디버깅이 까다로움
- 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어려움
- 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없음 ( 즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없음 )
- 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생 ( 동기화 문제 )
- 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받음

멀티 프로세싱 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

쉽게, 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서, 여러 작업을 해결하는 것

여러 프로세스(멀티프로세스) 로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나눠가면서 하는 이유는 ?

자원의 효율성 증대
- 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
- 멀티프로세싱의 경우, 프로세스 간의 Context Switching 시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM 과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문
- 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에, 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
- 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다.
- 이는, 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문
- 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 더 빠름
- 이는, Context Switching 시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문

단, 이럼에도 다시 한번 멀티스레딩 사용시 주의점

동기화 문제
스레드 간의 자원 공유는 전역변수(Data Segment)를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있다.

(추가) GIL

GIL(Global Interpreter Lock)

Python 인터프리터는 GIL을 가지며, 이로인해 한 번에 한 스레드만 파이썬 바이트 코드를 실행 하도록 제한함

각 스레드는 다른 스레드의 의해 GIL이 해제되길 "기다린" 후에야 실행 될 수 있음
즉, 멀티 스레드로 만들었음에도 불구하고, 본질적으로 싱글스레드로만 작동하는 것
코어(Core) 수는 점점 늘어만 가는데, 이 GIL 때문에 코어 수만큼 이용할 수는 없지만( 즉, 효율성이 떨어질 순 있지만 )
메모리 관리 방식에서 GIL 덕분에 오버헤드가 적다.

정리하자.

자원은 Process 단위로 받고, 작업/스케쥴링은 Thread 단위로 진행
프로세스
- 프로세서에 의해 동작하고 있는 프로그램
- 프로세스가 동작 한다는 것은 프로세스의 특정 스레드가 실행 중이고 그 특정 스레드는 프로세스가 가진 데이터를 참조함
- 스레드 단위 작업을 지원하기 위한 자원 할당의 단위
스레드
- 프로세스 내에서 실행되는 작업 흐름의 단위

추가 조사할만한 주제

스케쥴링이란 ? / 스케쥴링 기법

다중화 방식

IPC(Interprocess Communication)

참고자료

위영민(Victor)

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