0. 프로세스와 스레드

기술노트

0. 프로세스와 스레드

프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업이라는 용어와 같은 의미로 쓰인다. 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.

1. 프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화된 것을 말한다.

전처리

소스 코드의 주석을 제거하고 헤더 파일을 병합해 매크로를 치환

컴파일러

오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

어셈블러

어셈블리어는 목적 코드로 변환된다.

링커

프로그램 내에 있는 랑비ㅡ러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합해 실행 파일을 만든다.

2. 프로세스의 상태

프로세스는 여러 상태 값을 갖고 있다.

생성 상태

프로세스가 생성된 상태. fork() 또는 exec()를 통해 생성한다 이 때 PCB가 할당된다.

fork()

부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사해 자식 프로세스를 생성한다.

exec()

새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.

대기 상태

메모리 공간이 충분하면 할당받고 아니면 대기한다. CPU 스케줄러부터 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태

대기 중단 상태

메모리 부족으로 인해 임시 중단된 상태

실행 상태

CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태 이를 CPU burst가 일어났다고도 표현함

중단 상태

어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태 IO에 의한 인터럽트로 이런 현상이 발생하기도 한다.

임시 중단 상태

대기 중단과 과 유사한데 중단된 상태에서 프로세스를 실행하려고 했지만 메모리 부족으로 다시 중단된 상태

종료 상태

메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태

3. 프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.

스택

스택에는 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되며 동적인 특징이 있다. 스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기간 ㅡㄹ어날 수 있는데 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안되기에 그 사이의 고간을 비워 놓은다.

힙

힙은 동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정된다.

데이터 영역

데이터 영역에는 전역변수, 정적변수가 저장되고 정적인 특징이 있다.

코드 영역

코드 영역은 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가있는 영역이다. 수정 불가능한 기계어로 되어 있으며 정적인 특징이 있다.

4. PCB

운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말하며 프로세스 제어 블록이라고도 한다.

PCB 구조

  • 프로세스 스케줄링 상태
  • 프로세스 ID
  • 프로세스 권한
  • 프로그램 카운터
  • CPU 레지스터
  • CPU 스케줄링 정보
  • 계정 정보
  • I/O 상태 정보

컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭은 PCB를 교환하는 과정을 말한다.

컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이다. 동시에 구동되는 것 처럼 보이기 위해 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠르게 실행되고 있기 때문이다.

하지만 멀티코어의 CPU를 가지고 있기에 위의 설명은 반은 맞고 반은 틀리다. 그래서 여기서는 싱글코어를 기준으로 설명한다.

한 갠의 프로세스 A가 실행하다 멈추고 프로세스 A의 PCB를 저장 다시 프로세스 B를 로드하여 실행한다. 반대로 한번 더 실행한다.

이 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 마다 유휴 시간이 발생하고 비용도 드는데 이를 캐시미스라고 한다.

캐시미스

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 갖고 있는 메모리 주소가 그대로면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

5. 멀티프로세세싱

멀티프로세싱은 여러 개의 프로세스로 인해 동시에 두가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 뜻한다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있고 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해 처리할 수 있기에 신뢰성이 높다.

웹 브라우저

웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 갖고 있다.

  • 브라우저 프로세스
  • 렌더러 프로세스
  • 플러그인 프로세스
  • GPU 프로세스

IPC

멀티프로세스는 IPC가 가능하며 IPC는 프로세스간 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다. 클라와 서버로 예를 들면 클라가 데이터 요청하면 서버가 응답하는 것이 IPC의 예이다.

ICP의 종류

  • 공유 메모리
  • 파일
  • 소켓
  • 익명 파이프
  • 명명 파이프
  • 메시지 큐

6. 스레드와 멀티스레딩

스레드

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.

코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유한다.

멀티스레딩

멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 자원을 공유하기에 호율성이 높다.

리소스가 적고 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있기에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 공유성으로 인해 다른 스레드에도 영향이 간다.

7. 공유 자원과 임계 영역

공유 자원

공유 자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 메모리, 파일 등의 자원이나 변수 등을 의미한다. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다. 동시에 접근을 시도할 때 접근 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태인 것이다.

임계 영역

임계 영역은 스레드가 공유 자원에 접근시 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다. 이를 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터가 있으며 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다. 이 방법들의 토대가 되는 매커니즘은 잠금이다.

8. 교착 상태

교착 상태는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

교착 상태의 원인

  • 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스 접근 불가
  • 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청한 상태
  • 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
  • 환형 대기 : 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

교착 상태의 해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다. 2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 은행원 알고리즘을 써 할당 가능 여부를 판단한다. 3. 교착 상태가 발생하면 사이클을 찾아보고 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다. 4. 교착 상태를 처리하는 방법이 더 크기에 사용자가 작업을 종료한다. 응답없음을 표하는 것이다.

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