CPU

프로세스와 스레드

프로세스와 스레드란?

프로세스

프로세스는 실행 중인 프로그램

• 운영체제에서 각 프로세스는 독립된 메모리 공간(코드, 데이터, 힙, 스택 영역 등)을 가진다.

• 운영체제는 프로세스 간의 자원 충돌을 방지한다.

• 각 프로세스는 자신만의 주소 공간을 가지고 있기 때문에 다른 프로세스의 메모리와 직접적인 상호작용이 불가능하다.

스레드

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 작은 실행 단위

• 프로세스는 최소 하나의 스레드를 가지고 있다.

• 멀티스레드 프로세스는 여러 스레드를 통해 작업을 병렬로 수행할 수 있다.

• 같은 프로세스 내의 스레드는 코드, 데이터, 힙 영역을 공유하고 각자의 스택을 갖는다.

메모리 영역

코드 영역 (Text Segment)

• 프로그램의 실행 코드가 저장

• 불변 데이터를 포함하며, 보통 읽기 전용으로 설정

• 예시: int main() { ... } 와 같은 프로그램 코드 자체.

데이터 영역 (Data Segment)

• 전역 변수와 정적 변수가 저장

• 프로그램이 시작할 때 할당되며 프로그램이 종료될 때까지 유지

• 예시: static int count = 0; 같은 변수.

힙 영역 (Heap)

• 동적 메모리 할당이 이루어지는 곳입니다. malloc(), calloc(), new 등으로 메모리가 할당되며, 명시적으로 해제 (free(), delete)해주어야 한다

• 프로그램이 실행 중 필요에 따라 크기가 변할 수 있다.

• 예시: int* ptr = (int*) malloc(sizeof(int)); 같은 코드에서 메모리 할당.

스택 영역 (Stack)

• 함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 매개변수가 저장

• 함수 호출 시 스택 프레임이 쌓이고, 함수가 종료되면 해당 스택 프레임이 제거

• 예시: 함수 내의 int a = 5; 같은 지역 변수.

컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭이란

하나의 프로세스가 CPU를 사용 중인 상태에서 다른 프로세스가 CPU를 사용하도록 하기 위해, 이전의 프로세스의 상태(context)를 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 작업

즉, CPU/코어에서 실행중이던 프로세스/스레드가 다른 프로세스/스레드로 교체되는 것이다.

이는 멀티태스킹을 가능하게 하여 여러 프로세스나 스레드가 마치 동시에 실행되는 것처럼 보이도록 한다.

스레드가 CPU/코어에서 실행되는 기본 단위이기 때문에 1개의 프로세스는 1개의 스레드를 가지고 있다.

그러므로 컨텍스트(context)는 프로세스/스레드의 상태를 말한다.

컨텍스트 스위칭을 사용하는 이유

멀티 태스킹

• 동시에 여러 작업 실행 - 운영체제는 여러 프로세스나 스레드를 마치 동시에 실행되는 것처럼 처리
• 효율적인 CPU 사용 - 하나의 I/O 작업(파일 읽기 등)으로 대기 상태에 들어가면 컨텍스트 스위칭을 통해 CPU는 즉시 다른 프로세스를 실행할 수 있게 된다.

비동기 처리

• 특정 프로세스가 I/O 작업이나 다른 장기적인 작업으로 인해 대기 상태일 때, CPU는 놀지 않고 다른 프로세스나 스레드를 실행할 수 있다.

컨텍스트 스위칭 비용

컨텍스트 스위칭은 CPU의 상태(context)를 저장하거나 복원할 때 시간이 소요되며
다른 프로세스로 전환될 때 캐시 메모리를 사용할 수 없어서 성능 저하가 일어날 수 있다.
따라서 필요 이상으로 사용할 경우 오버헤드가 일어나서 오히려 성능 저하를 일으킨다.

스레드 간의 컨텍스트 스위칭에서는 스레드가 동일한 프로세스 내의 메모리 공간을 공유하기 때문에 스택 및 레지스터 같은 일부 컨텍스트만 저장하고 복원하면 되기 때문에 비용이 적으나

프로세스 간의 컨텍스트 스위칭은 메모리 공간을 포함한 전체 컨텍스트를 저장하고 복원해야하기 때문에 더 많은 비용을 요구한다.

따라서 멀테스레드를 사용하거나 스케쥴링 알고리즘, 작업 그룹화 등을 이용해 컨텍스트 스위칭을 최소화하는 것이 좋다.

컨텍스트 스위칭 과정

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 기본 동작으로

1. 커널 모드로 전환
2. CPU의 레지스터 상태(context) 교체

두 가지가 있다.

스레드 간 컨텍스트 스위칭

• 기본 동작만 수행하기 때문에 빠르고 비용이 적다.
  

프로세스 간 컨텍스트 스위칭

• 추가적인 동작을 요구한다. MMU 참조 설정, TLB 비우기
  

레이스 컨디션(Race Condition)

레이스 컨디션이란?

두 개 이상의 스레드나 프로세스가 동시에 같은 자원에 접근하여 데이터를 변경하려고 할 때, 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 상황

• 예시 - 은행 계좌에 두 개의 ATM 기기가 동시에 접근하여 출금 작업을 한다고 가정했을 때, 두 스레드가 계좌 잔액을 읽고 출금한 후 다시 계좌에 기록할 때에, 실행 순서가 꼬이면 잔액이 잘못 기록될 수 있다.

세마포어와 뮤택스 (Semaphore and Mutex)

레이스 컨디션을 방지하기 위해 사용하는 동기화 개념

뮤택스 (Mutex)

Mutual Exclusion의 약자로, 한 번에 하나의 스레드만 임계 구역에 접근할 수 있도록 제어하는 잠금 메커니즘

• 작동 방식

  • 스레드가 임계 구역에 들어가기 전에 뮤택스를 잠근다.

  • 임계 구역을 벗어날 때 뮤택스를 해제하여 다른 스레드가 접근할 수 있게 한다.

• 특징

  • 소유권: 잠금을 요청한 스레드만이 잠금을 해제할 수 있다.

  • 만약 소유한 스레드가 잠금을 해제하지 않으면 교착 상태(Deadlock)가 발생할 수 있습니다.

세마포어 (Semaphore)

특정 자원에 대해 여러 스레드가 접근할 수 있도록 허용하는 메커니즘

• 작동 방식

  • 세마포어는 내부적으로 카운터를 유지한다. 카운터가 0보다 크면 스레드가 접근할 수 있고, 스레드가 자원에 접근할 때마다 카운터를 감소시킨다.

  • 자원을 해제하면 카운터가 증가합니다.

• 특징

  • 동시성 제어: 여러 스레드가 접근할 수 있는 동시성을 제어하는 데 사용된다.

  • 비소유권: 세마포어는 특정 소유권 개념이 없으므로, 자원을 해제하는 것은 접근한 스레드가 아니어도 가능하다.

차이점

데드락 (Deadlock)

두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로가 보유한 자원을 기다리며 영원히 대기하는 상황

데드락이 발생하기 위한 조건

• 상호 배제(Mutual Exclusion)

  • 한 자원은 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있음. 다른 프로세스 접근x

• 점유와 대기(Hold and Wait)

  • 자원을 점유한 상태에서 다른 자원을 기다림. 보유하고 있는 자원을 해제하지 않고 대기하는 상태.

• 비선점(Non-preemption)

  • 다른 프로세스가 자원을 강제로 빼앗을 수 없음. 자원을 보유한 프로세스가 스스로 해제할 때까지 다른 프로세스는 대기.

• 순환 대기(Circular Wait)

  • 프로세스 A가 프로세스 B의 자원을 기다리고, B는 C의 자원을, C는 다시 A의 자원을 기다리는 경우.

해결방법

• 자원 할당 순서

  • 자원을 항상 동일한 순서로 요청하도록 강제한다.

• 점유와 대기 방지

  • 자원을 점유하고 있는 상태에서 다른 자원을 요청하지 못하게 한다.

• 타임아웃(Timeout)

  • 일정 시간 동안 자원을 획득하지 못하면 프로세스를 중단시킨다.