[CS 전공지식 #10] 챕터3-3. 프로세스와 스레드

 

목차

3. 프로세스와 스레드

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정

3.3.2 프로세스의 상태

3.3.3 프로세스의 메모리 구조

3.3.4 PCB Process Control Block

3.3.5 멀티프로세싱

3.3.6 스레드와 멀티스레딩

3.3.7 공유 자원과 임계 영역

3.3.8 교착 상태

 

챕터3. 운영체제

 

3. 프로세스와 스레드

• 프로세스 process: 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
  • CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업 TASK이라는 용어와 거의 같은 의미
  • 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름 지칭

 

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정

• 프로세스: 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것
  • 예)
    • 프로그램: 구글 크롬 프로그램 exe 와 같은 실행 파일
    • 프로세스: exe를 두 번 클릭하면 프로세스로 변환됨
  • 프로그램을 만드는 과정은 언어마다 상이
  • C 언어 기반의 프로그램 기준
    • 컴파일러가 컴파일 과정을 통해 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일 생성

• 전처리: 소스 코드의 주석을 제거, #include 등 헤더 파일 병합하여 매크로를 치환
• 컴파일러: 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환
• 어셈블러: 어셈블리어는 목적 코드 object code로 변환. 확장자는 운영체제마다 상이 (리눅스는 .o)
• 링커: 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드 결합하여 실행 파일 만듦
  • 확장자: .exe, .out
  • 라이브러리는 정적 라이브러리와 동적 라이브러리로 나뉨
  • 정적 라이브러리:
    • 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
    • 장점) 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮음
    • 단점) 코드 중복 등 메모류 효율성이 떨어짐
  • 동적 라이브러리:
    • 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법
    • 장점) 메모리 효율성
    • 단점) 높은 외부 의존도

 

3.3.2 프로세스의 상태

• 프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 가짐

• 생성 상태 create
  • 프로세스가 생성된 상태
  • fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성
  • PCB가 할당됨
• 대기 상태 ready: 메모리 공간이 충분하면 메모리 할당 받고, 아니면 아닌 상태로 대기, CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어 오기를 기다리는 상태
• 대기 중단 상태 ready suspended: 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
• 실행 상태 running: CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태 (=CPU burst)
• 중단 상태 blocked: 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
• 일시 중단 상태 blocked suspended: 대기 중단과 유사, 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
• 종료 상태 terminated: 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
  • 자연스럽게 종료
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료 abort로 종료
  • 사용자 process.kill 등

 

3.3.3 프로세스의 메모리 구조

• 운영체제는 프로세스에 적절한 메모리 할당

• 스택과 힙
  • 동적 할당: 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것
  • 스택: 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역
    • 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해 저장됨
  • 힙: 동적으로 할당되는 변수들을 담음
• 데이터 영역과 코드 영역
  • 정적 할당: 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것
  • 데이터 영역
    • BSS segment: 전역 변수 또는 static, const로 선언, 0으로 초기화 또는 초기화가 되어 있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당
    • Data segment: 전역 변수 또는 static, const로 선언. 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당
    • code segment: 프로그램의 코드

 

3.3.4 PCB Process Control Block

• 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터
• 프로세스 제어 블록이라고도 함
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성
  • 프로그램 실행 → 프로세스 생성 → 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리 할당
  • → 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장, 관리
• 프로세스의 중요 정보 포함 → 일반 사용자 접근 불가하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됨
• PCB의 구조
  • 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID
  • 프로세스 권한, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, CPU 스케줄링 정보, 계정 정보, I/O 상태 정보
  • 등의 정보로 구성됨
• 컨텍스트 스위칭 context switching
  • PCB를 교환하는 과정
  • 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생
  • 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만
    • 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개
    • 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문
  • 사실) 현대 컴퓨터 = 멀티코어의 CPU를 가지기 때문에 한 개의 프로그램 X
  • → 싱글코어를 기준으로 설명

 

3.3.5 멀티프로세싱

• 여러 개의 “프로세스”, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
• 하나 이상의 일을 병렬로 처리 가능
• 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해 처리 가능 → 신뢰성 높음
• 웹 브라우저: 멀티프로세스 구조를 가짐
  • 브라우저 프로세스, 렌더러 프로세스, 플러그인 프로세스, GPU 프로세스
• IPC Inter Process Communication
  • 멀티프로세스는 IPC 가능
  • IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고 받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
  • IPC 예)
    • 클라이언트: 데이터 요청
    • 서버: 클라이언트 요청에 응답하는 것
  • 종류: 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메세지 큐 등
  • 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐
• 공유 메모리 shared memory
  • 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어, 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것
  • 기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근 불가
  • 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리 공유 가능
  • 메모리 자체 공유
    • 불필요한 데이터 복사의 오버헤드 발생 X → 가장 빠름
    • 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유 → 동기화 필요
  • 하드웨어 관점) 공유 메모리는 CPU가 접근 가능한 RAM을 가르키기도 함
• 파일: 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에 제공한 데이터
• 소켓:
  • 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터
  • TCP, UDP
• 익명 파이프 unamed pipe:
  • 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터 주고 받는 방식
  • 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프 만들어서 작동
  • 부모, 자식 프로세스 간에만 사용 가능
  • 다른 네트워크 상에서 사용 불가
• 명명된 파이프 named pipe:
  • 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프
  • 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프 제공
  • 여러 파이프 동시 사용 가능
  • 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신 가능

• 메세지 큐
  • 메세지를 큐 queue 데이터 구조 형태로 관리하는 것
  • 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리
  • 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적, 간단
  • 공유 메모리를 통해 IPC 구현 시,
    • 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능 구현이 복잡
    • → 대안으로 메세지 큐 사용

 

3.3.6 스레드와 멀티스레딩

• 스레드
  • 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위, 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음
  • 프로세스: 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성
  • 스레드: 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유. 그 외의 영역 각각생성

• 멀티스레딩
  • 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법
  • 장점) 스레드끼리 서로 자원 공유, 효율성 높음, 동시성
  • 단점) 한 스레드 문제 → 다른 스레드 영향, 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향

 

3.3.7 공유 자원과 임계 영역

• 공유 자원 shared resource
  • 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는
  • 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수
  • 경쟁 상태: 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황
• 임계 영역 critical section
  • 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역
  • 해결 방법: 뮤텍스, 세마포어, 모니터
    • → 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성 조건 만족
    • → 토대가 되는 매커니즘: 잠금 lock
• 뮤텍스 mutex
  • 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체
• 세마포어 semaphore
  • 일반화된 뮤텍스
  • 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(), signal() 로 공유 자원에 대한 접근 처리

• 모니터
  • 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원 숨기고, 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
  • 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들 순차적 처리

 

3.3.8 교착 상태

• 교착 상태 deadlock: 두 개 이상의 프로세스들이 서로 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
• 원인: 상호 배제, 점유 대기, 비선점, 환형 대기
• 해결 방법:
  • 자원 할당 시 원인 조건이 성립되지 않도록 설계
  • 교착 상태 가능성 없을 때만 자원 할당, 은행원 알고리즘
  • 교착 상태 발생, 관련된 프로세스 하나씩 지움
  • 작업 종류 (교착상태는 드물게 발생)