[CS] 프로세스의 이해: 메모리 구조부터 멀티스레딩까지

프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적당한 메모리를 할당. 구성 요소: 스택, 힙, 데이터영역, 코드 영역

1. 스택(Stack)

• 지역변수, 매개변수, 함수
• 컴파일 시 크기가 결정되지만, 함수 호출 등으로 런타임에 크기가 동적으로 변경 가능
• 메모리의 상위 주소에 할당

2. 힙(Heap)

• 동적 메모리 할당에 사용
• 런타임 시 크기가 결정
• 메모리의 하위 주소에 할당

3. 데이터영역(Data segment, BSS segment)

• 정적 변수 할당
• Data segment: 0이 아닌 값으로 초기화된 전역 변수 및 정적 변수 저장
• BSS segment: 0으로 초기화 또는 초기화되지 않은 전역/정적 변수 저장

4. 코드 영역(code segment)

• 소스코드 저장, 정적 특성 가짐

정적 할당

• 컴파일 단계에서 메모리 할당이 이루어지며, Data segment, BSS segment, code/text segment로 구분

동적 할당

• 런타임 단계에서 이루어지며, 스택과 힙으로 나뉨
• stack: 함수 호출 시 정보 저장으로 늘어나거나 줄어들음
• heap: 동적으로 할당되는 변수들이 저장되며, 동적 자료구조의 경우 이 영역을 사용 (vector)

PCB와 컨텍스트 스위칭

PCB

Process Controll Block

• 정의: 각 프로세스의 메타 데이터(데이터에 대한 정보를 제공하는 구조화된 데이터)를 저장하는 데이터 블로, 커널 스택(가상메모리의 윗 부분에 위치하며 커널 모드에서만 접근 가능)에 저장된다
• 생성 및 제거: 프로세스의 생성/종료시 생성/제거
• 구성 요소:
  • 프로세스 상태: ex 대기중, 실행 중
  • 프로세스 번호(PID)
  • 프로그램 카운터(PC): 다음에 실행될 명령어의 주소를 가리키는 포인터
  • 레지스터 정보: 프로세스의 레지스터 상태
  • 메모리 제한: 프로세스의 메모리 범위
  • 열린 파일 정보: 프로세스에 의해 열린 파일 목록

컨텍스트 스위칭

• 정의: 프로세스(또는 스레드)의 상태를 저장하고 복원하는 과정. 프로세스의 중단, 재시작, 인터럽트 발생 시 수행
  

• 비용

  • 유후시간 발생: 컨텍스트 스위칭으로 인해 CPU 가용성이 감소하는 시간 발생
  • 캐시미스: TLB 캐시를 클리어하는 과정에서 캐시 미스 발생

• 스레드의 컨텍스트 스위칭: 스레드는 스택을 제외한 대부분의 메모리를 공유하므로, 비용 시간 프로세스에 비해 적게 든다

프로세스 상태

프로세스의 라이프 사이클. 운영체제가 프로세스 상태를 관리하여 시스템의 자원 효과적으로 활용

생성 상태 (create/new)

• 프로세스의 생성
• fork()(부모 프로세스의 주소 공간 복사해 자식 프로세스 생성)또는 exec() (새 프로세스 생성)함수를 통해 프로세스가 생성
• PCB 할당

대기 상태 (ready)

• 프로세스가 준비 큐에 들어가서 대기중 상태
• CPU 스케쥴러로부터 CPU 실행 권한 대기

대기 중단 상태 (ready suspended)

• 메모리 부족 등의 이유로 준비 큐에서 일시 중단된 상태(준비 큐 full)

실행 상태 (running)

• CPU와 메모리를 할당받아 명령어를 실행하는 상태

중단 상태 (blocked)

• 특정 이벤트 (I/O로) 인해 프로세스 실행이 일시적으로 중단된 상태

일시중단 상태 (blocked suspended)

• 중단 상태에서 메모리 부족으로 인해 프로세스가 일시적으로 중단된 상태

종료 상태 (terminated/exit)

• 프로세스 실행 완료, 자원 반납
• 자연스러운 종료 또는 강제 종료(abort)

멀티 프로세싱과 멀티 스레딩

멀티 프로세싱

• 정의: 여러 개의 프로세스를 사용하여 동시에 여러 작업을 수행
  장점:
• 병렬 처리 가능: 똑같은 또는 다른 작업을 동시에 수행
• 격리성 및 신뢰성: 하나의 프로세스에 문제가 생겨도 다른 프로세스에 영향 X
• 적용: 고신뢰성이 요구되는 시스템이나, 병렬 처리가 필요한 경우에 유용

멀티 스레딩

• 정의: 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드를 사용하여 작업을 수행하는 기법
• 장점:
  • 효율성: 스레드는 프로세스보다 가볍고 자원을 공유하기 때문에 더 효율적
• 단점:
  • 상호 의존성: 한 스레드에 문제가 발생하면 같은 프로세스 내의 다른 스레드에 영향 ㅇ
• 적용: 자원의 효율적 사용이 중요한 경우나 빠른 응답 시간이 요구되는 시스템에 적합

Java 멀티 스레딩 예시

import java.io.IOException;
import java.net.URI;
import java.net.http.HttpClient;
import java.net.http.HttpRequest;
import java.net.http.HttpResponse;
import java.lang.ProcessHandle;

public class MultiProcessingExample {

    public static void main(String[] args) {
        Runnable task1 = () -> processTask("프로세스 1");
        Runnable task2 = () -> processTask("프로세스 2");

        Thread thread1 = new Thread(task1);
        Thread thread2 = new Thread(task2);

        thread1.start();
        thread2.start();

        try {
            thread1.join();
            thread2.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    private static void processTask(String name) {
        System.out.println("pid of parent: " + ProcessHandle.current().parent().orElseThrow().pid());
        System.out.println("pid of " + name + " : " + ProcessHandle.current().pid());

        HttpClient client = HttpClient.newHttpClient();
        HttpRequest request = HttpRequest.newBuilder()
                .uri(URI.create("https://w3schools.com/python/demopage.htm"))
                .build();

        try {
            HttpResponse<String> response = client.send(request, HttpResponse.BodyHandlers.ofString());
            System.out.println(response.body());
        } catch (IOException | InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

IPC

Inter-Process Communication, 프로세스 간 데이터를 주고받기 위한 매커니즘

1. 공유 메모리

• 여러 프로세스가 동일한 메모리 영역을 공유하여 통신
• 데이터 복사 오버헤드가 없어 가장 빠른 통신 방법
• 동기화가 필요
  

2. 파일

• 디스크에 저장된 파일을 통해 프로세스 간 통신

3. 소켓

• 네트워크 인터페이스(TCP, UDP, HTTP 등)를 이용한 통신

4. 파이프

• 익명 파이프: FIFO 기반의 통신 채널을 만들어 통신하는 것으로 파이프 하나 당 단방향 통신이기에 양방향 통신을 하려면 2개의 익명 파이프 필요 주로 부모-자식 프로세스 간 통신에 적합, 다른 네트웨커 상에는 사용 불가
• 명명 파이프: 익명 파이프의 확장 형태로, 서로 다른 네트워크 상의 다양한 프로세스 간 통신 가능. 서버, 클라이언트용 파이프를 구분해서 동작

5. 메시지 큐

• 메시지를 큐 형태로 관리하며 프로세스 간 통신
• 보내는 프로세스(sender)는 메시지를 큐에 넣고, 받는 프로세스(receiver)는 큐에서 메시지를 받음

---

REF