프로세스와 쓰레드

본 포스팅은 '면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성되었습니다.

 

프로세스

• 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
• CPU 스케쥴링의 대상이 되는 작업(task)와 거의 같은 의미

쓰레드

• 프로세스 내 작업의 흐름 지칭

프로세스와 컴파일 과정

• 프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 말함.
• ex) 구글 프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)과 같은 실행 파일, 이를 두 번 클릭하면 구글 크롬 프로세스로 변환됨

전처리

• 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로로 치환

컴파일러

• 오류 처리, 코드 최적화 작업, 어셈블리어로 변환

어셈블러

• 어셈블리어를 목적 코드(object code)로 변환
• 이 때 확장자는 운영체제마다 다름. 리눅스는 .o 파일

링커

• 프로그램 내 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행파일을 만듦.
• .exe 또는 .out이라는 확장자를 가짐.

정적라이브러리와 동적라이브러리

정적라이브러리

• 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 쓰는 것
• 장점: 외부 의존도가 낮다.
• 단점: 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어진다.

동적 라이브러리

• 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조해서 라이브러리를 쓰는 방법
• 장점: 메모리 효율성
• 단점: 외부 의존도 높아짐.

프로세스의 상태

생성 상태(create)

• 프로세스가 생성된 상태
• fork(), exec() 함수를 통해 생성
• 이 때 PCB가 할당됨

fork()

• 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수.
• 주소 공간 만 복사 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않음

 

exec()

• 새롭게 프로세스를 생성하는 함수

 

대기 상태(ready)

• 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기
• CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태

대기 중단 상태(ready suspended)

• 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

실행 상태(running)

• CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태
• CPU burst가 일어났다고도 표현

중단 상태(blocked)

• 어떤 이벤트 발생 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
• I/O디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생
• 프린트 눌렀을 때 

일시 중단 상태(blocked suspended)

• 대기 중단과 유사
• 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

종료 상태(terminated)

• 메모리와 CPU소유권을 모두 놓고 가는 상태
• 자연스럽게 종료되는 것도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)도 있음
• 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모프로세스가 종료되거나, 사용자가 process kill 등의 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생

프로세스의 메모리 구조

• 운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당.
• 위의 구조처럼

스택과 힙

• 동적할당: 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것을 말함

스택

• 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역

힙

• 동적으로 할당되는 변수를 담음.
• malloc, free 함수를 통해 관리할 수 있음
• 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 힙영역을 사용. ex) vector

데이터 영역과 코드영역

• 정적 할당: 컴파일 단계에서 메모리를 할당
• BSS segment, Data segment, code/text segment로 나뉨

BSS segment

• 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 할당

Data segment

• 전역 변수 또는 static, const 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수 할당

code segment

• 프로그램의 코드가 들어감.

PCB(Process Control Block)

• 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말함
• 프로세스 제어 블록이라고도 함.
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성
• PCB는 중요한 정보를 포함하기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리

PCB의 구조

• 프로세스 스케줄링 상태: ‘준비’, ‘일시중단’ 등 프로세스가 CPU 에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
• 프로세스 ID: 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야할 다음 명령어의 주소에 대한포인터
• CPU 레지스터: 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
• CPU 스케줄링 정보:CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
• 계정 정보: 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

컨택스트 스위칭(context switching)

• PCB를 교환하는 과정
• 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생
• 컴퓨터가 많은 프로그램을 동시에 돌리는 것처럼 보이나 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개. 그렇게 보이는 것은 컨텍스트 스위칭이 빠르게 일어나기 때문(싱글 코어 기준)

• 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 유휴 시간(idle time)이 발생
• 또한 컨텍스트 스칭에 드는 비용이 존재 -> 캐시 미스

비용: 캐시미스

• 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소변환이 생김
• 따라서 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시 미스 발생

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

• 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어남
• 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리 공유
• 따라서 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸림

멀티 프로세싱

• 멀티프로세스를 통해 동시에 두가지 이상의 일을 수행
• 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있고 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높다.

웹 브라우저

• 브라우저 프로세스: 주소 표시줄 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트 워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당합니다.
• 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 ‘보이는’ 부분의 모든 것을 제어합니다.
• 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어합니다
• GPU 프로세스:GPU 를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어합니다.

IPC(Inter Process Comunication)

• 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
• 멀티프로세스는 IPC가 가능
• IPC의 종류: 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐, 클라이언트 서버의 통신
• 이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐

공유 메모리(shared memory)

• 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것을 말함

• 기본적으로 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근 불가능
• IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르며 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화 필요.

파일(file)

• 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말함. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 함.

소켓(socket)

• 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.

익명 파이프(unamed pipe)

• 프로세스 간에 FIFO방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받음
• 단방향 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식

명명된 파이프(named pipe)

• 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프
• 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수도 있음.
• 컴퓨터의 프로세스끼리 혹은 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.

메세지 큐(message queue)

• 메시지를 queue 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미
• 다른 IPC방식에 비해 사용 방법이 직관적이고 간단
• 공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 복잡한데, 이때 대안으로 메세지 큐를 사용하기도 함.

스레드와 멀티 스레딩

스레드

• 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
• 프로세스는 여러개의 스레드를 가질 수 있음.
• 각 영역을 따로 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 서로 공유

멀티 스레딩

• 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법
• 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음, 동시성(독립적인 작업들을 나누고 동시실행하는것처럼 보여주는)에도 장점
• 그러나 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점.
• ex) 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스 를 소비하며, 한 스레드가 중단(blocked) 되어도 다른 스레드는 실행(running) 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능

공유 자원과 임계 영역

공유 자원(shared resource)

• 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수등을 의미
• 공유 자원을 두개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 race condition 이라고 함.
• 동시에 접근을 시도 할 때 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태

임계 영역(critical section)

• 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이류로 결과가 달라지는 코드 영역
• 해결 방법: 뮤텍스, 세마포어, 모니터
• 위 방법들은 상호 배제(mutual exclusion), 한정 대기(deadlock), 융통성(starvation) 조건 만족
• lock 사용

뮤텍스(mutex)

• 프로세스나 스레드가 공유자원을 lock 을 통해 잠그고 사용한 후에는 unlock을 통해 해제하는 객체
• 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제의 상태만 가짐.

세마포어(semaphore)

• 일반화된 뮤텍스
• 간단한 정수 값과 두가지 함수 wait(P 함수), signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근 처리
• wait(): 자신의 차례가 올때까지 기다리는 함수
• signal() : 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
• 세마포어는 조건 변수 없다.
• 프로세스나 스레드가 세마포어값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없음.

바이너리 세마포어

• 0과 1의 두가지 값만 가질 수 있는 세마포어
• 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라 할 수 있지만 엄밀히말하면 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 잠금 메커니즘
• 세마포어는 신호를 기반으로 상호배제가 일어나는 신호 메커니즘

카운팅 세마포어

• 여러개의 값을 가질 수 있는 세마포어, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용

모니터

• 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
• 세마포어 보다 구현하기 쉬우며 상호 배제또한 자동으로 일어남
• 세마포어는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 함.

교착 상태(deadlock)

• 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

교착상태의 원인

• 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능합니다.
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태입니다.
• 비선점: 다른 프로세스의자원을 강제적으로 가져올 수 없습니다.
• 환형 대기: 프로세스 는 프로세스의 자원을 요구하고, 프로세스는 프로세스 의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말합니다.

교착 상태의 해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계합니다.
2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 ‘은행원 알고리즘’을 씁니다.
3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지옵니다.
4. 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자 가 작업을 종료합니다. 현대 운영체제는 이 방법을 채택했습니다. 예를 들어 프로세스를 실행시키다 ‘응 답 없음’이라고 뜰 때가 있죠? 교착 상태가 발생한 경우에 이와 같은 경우가 발생하기도 합니다.