프로세스와 스레드

프로세스란?

컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며, CPU 스케쥴링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰임.

프로세스 = 현재 실행되고 있는 프로그램 하나

- 프로그램 파일이 그냥 하드디스크에 있을 땐 프로세스가 아님. 그 프로그램이 메모리에 올라가서 실제로 돌아가기 시작해야 프로세스라고 부름

 

스레드란?

프로세스 내 작업의 흐름을 지칭

스레드 = 프로세스 안에서 실제로 일이 진행되는 흐름 하나

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프로세스의 상태

프로세스는 여러가지 상태 값을 갖음.

• 생성: 프로세스가 막 만들어진 상태. fork, exec 함수를 통해 생성함. 이때 PCB(프로세스의 신상정보 카드 같은 것. 아래에서 후술함)가 하나 발급됨
  • fork() - 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하여 자식 프로세스를 생성하는 함수
  • exec() - 새롭게 프로세스를 생성하는 함수

• 대기(ready): CPU 차례를 기다리는 상태. 메모리 공간이 충분하면 할당, 부족하면 대기
• 대기 중단: 순서를 기다리던 중인데 메모리가 부족해서 일시 중단된 상태.
• 실행(running): 진짜로 CPU소유권과 메모리를 할당받아 일하고 있는 상태.
• 중단(blocked): 어떤 이벤트(예: 파일 읽기 끝나기 등)를 기다리느라 못 움직이는 상태.
• 일시 중단: 중단된 상태인데 메모리까지 부족해서 일시 중단된 상태.
• 종료: 일 다 끝내고 CPU도, 메모리도 다 반납하고 가는 상태.자발적 종료와 비자발적 종료가 있음

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프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당한다.

스택,힙,데이터,BSS,코드 영역으로 나뉘어짐. 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

 

스택과 힙

• 스택: 런타임 단계에서 메모리를 할당 받음. 잠깐 쓰고 버리는 것들 (지역변수, 함수 호출 정보, 리턴값 등)이 들어가는 칸
• 힙: 런타임 단계에서 메모리를 할당 받음. 필요할 때마다 새로 만드는(동적으로 할당하는) 변수들이 들어가는 칸
• 데이터 영역: 프로그램 실행 내내 계속 살아있는 변수(전역변수, 정적변수)가 들어가는 칸
  • BSS segment : 0으로 초기화 또는 초기화가 어떤 값으로도 되지 않은 변수들
  • Data segment : 0이 아닌 값으로 초기화된 변수들
• 코드 영역: 우리가 짠 소스 코드 자체가 들어있는 칸

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PCB란?

PCB (Process Control Block)는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'. 프로세스 제어블록이라고도 함.

프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.

 

프로그램 실행 -> 프로세스 생성 -> 프로세스 주소 값들에 스택,힙 등의 구조로 메모리 할당- > 메타데이터 PCB에 저장되어 관리

일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택 가장 앞부분에서 관리됨.

 

PCB 안에 들어있는 정보 8가지

1. 프로세스 스케줄링 상태: 이 프로세스가 지금 대기 중인지, 실행 중인지 등
2. 프로세스 ID: 이 프로세스가 누구인지 구분하는 고유 번호
3. 프로세스 권한: 이 프로세스가 컴퓨터 자원이나 입출력 장치를 얼마나 써도 되는지에 대한 권한 정보
4. 프로세스 카운터: 다음에 실행할 명령어가 메모리 어디에 있는지 가리키는 포인터. (일종의 책갈피)
5. CPU 레지스터: 프로세스를 실행하려면 CPU에 저장해둬야 하는 값들
6. CPU 스케줄링 정보: 이 프로세스가 언제 CPU 사용을 멈췄는지 등의 정보
7. 계정 정보: 이 프로세스가 CPU를 얼마나 썼는지, 누가 실행시켰는지에 대한 정보
8. I/O 상태 정보: 이 프로세스에 할당된 입출력 장치 목록

컨텍스트 스위칭

• 컨텍스트 스위칭: PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정
  • 쉽게 말해 CPU가 프로세스 A를 하다가 프로세스 B로 바꿔서 일하는 것. 이때 A의 PCB를 저장해두고 B의 PCB를 불러오는 작업이 일어남. 
• 이 과정(프로세스끼리 전환할 때)에서 캐시미스 라는 비용이 발생함.
• 그러나 스레드끼리 전환할 땐 비용이 훨씬 적음. 스택 빼고는 다 같이 쓰고 있어서, 바꿔야 할 항목이 적기 때문.

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멀티 프로세싱이란?

여러 개의 프로세스, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것

- 동시에 일을 병렬로 처리 가능

- 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제 발생 시 다른 프로세스를 이용하여 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높음

 

하드웨어 관점 멀티프로세싱과 소프트웨어 관점의 멀티프로세싱은 다름.

여기서는 소프트웨어 관점에서 멀티프로세싱을 설명함.

 

웹 브라우저

웹 브라우저는 멀티 프로세스 구조를 가지고 있음. (크롬 같은 웹 브라우저)

• 브라우저 프로세스: 주소창, 북마크바, 뒤로/앞으로 가기 버튼 같은 UI를 담당하고, 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한도 관리
• 렌더러 프로세스: 웹 페이지에서 눈에 보이는 부분을 그리는 걸 담당
• 플러그인 프로세스: 웹 페이지에서 확장 프로그램(플러그인) 처리를 담당
• GPU 프로세스: 그래픽카드를 이용해서 화면을 그리는 부분을 담당

 

IPC

멀티 프로세스는 IPC(Inter Process Communication)가 가능한데 IPC란 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻함. 

IPC의 종류 : 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메세지 큐.

단, 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐

 

공유 메모리

• 여러 프로세스가 같은 메모리 공간에 다 같이 접근할 수 있게 허락받는 방식.
• 중간에 뭘 거치지 않고 바로 그 메모리를 읽고 쓰니까 속도가 제일 빠르다

파일

• 디스크에 저장된 데이터나, 파일 서버가 주는 데이터를 통해서 프로세스끼리 정보를 주고받는 방식.
• 예: 한 프로세스가 파일에 써놓으면, 다른 프로세스가 그 파일을 읽는 식.

소켓

• 네트워크를 통해서 데이터를 주고받는 방식이에요. TCP나 UDP를 사용.
• 같은 컴퓨터 안이 아니라 다른 컴퓨터에 있는 프로세스랑도 통신할 수 있다는 게 특징.

익명 파이프

• FIFO(먼저 넣은 게 먼저 나옴) 방식으로 데이터가 흐르는 임시 통로(파이프)를 만들어서 단방향 방식의 통신을 함.
• 단, 부모 프로세스와 자식 프로세스 사이에서만 사용 가능. 다른 네트워크상에서는 사용 불가

명명된 파이프

• 익명 파이프와 달리 부모-자식 관계가 아니어도 쓸 수 있음
• 파이프 서버와 클라이언트가 단방향 또는 양방향으로 통신 가능하고, 심지어 네트워크상의 다른 컴퓨터와도 통신할 수 있음.

메세지 큐

• 주고받을 메시지들을 큐(줄서기 구조) 형태로 쌓아두고 관리하는 방식.
• 운영체제 커널이 전역적으로 관리해줘서, 사용 방법이 비교적 직관적이고 편하다.

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스레드와 멀티스레딩

스레드란?

• 스레드는 프로세스가 쪼갤 수 있는 가장 작은 일 단위. 프로세스 하나 안에 여러 스레드가 있을 수 있음.
• 같은 프로세스 안 스레드들은 코드, 데이터, 힙을 공유. 스택만은 각자 따로 가짐.

 

멀티스레딩이란?

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법

 

멀티스레딩의 장점

1. 효율성이 높음 : 스레드끼리 자원(코드/데이터/힙)을 공유하기 때문에 낭비 없이 효율적으로 일함.
2. 동시성(Concurrency)의 장점 : 서로 독립적인 작업들을 작게 나눠서, 마치 동시에 실행되는 것처럼 보여줄 수 있음.

멀티스레딩의 단점

• 스레드로 이루어진 프로세스끼리 서로 영향을 줄 수 있음 : 자원을 공유한다는 게 장점이자 단점. 한 스레드가 공유 자원(예: 힙에 있는 변수)을 잘못 건드리면, 같은 프로세스 안의 다른 스레드들도 다 같이 영향을 받음. (반면 프로세스는 메모리가 독립적이라 이런 문제가 덜함)

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공유 자원과 임계 영역

 

공유 자원(shared resource)이란?

시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원이나 변수 등을 의미

- 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태 (race condition)라고 하며, 동시에 접근을 시도할 때접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태를 의미한다.

 

임계 영역(critical section)이란?

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역

 

임계 영역을 해결하기 위한 방법 3가지

1. 뮤텍스

2. 세마포어

3. 모니터

이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족함. 이 방법의 토대가 되는 메커니즘은 잠금(Lock).

 

뮤텍스

프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고, 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체

잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근 불가.

뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가짐.

 

세마포어

세마포어는 일반화 된 뮤텍스로 간단한 정수 값과 두가지 함수 wait 및 signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리함

wait() : 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수

signal() : 다음 프로세스 순서를 넘겨주는 함

 

바이너리 세마포어 : 0과 1의 두가지 값만 가질 수 있는 세마포어

카운팅 세마포어 : 여러 개의 값을 가질 수 있어, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용되는 세마포어

 

모니터

둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공함

 

- 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리

- 세마포어 보다 구현하기 쉬움

 

정리

구분	뮤텍스(Mutex)	세마포어(Semaphore)	모니터(Monitor)
비유	자물쇠가 1개인 화장실	칸이 여러 개인 화장실	통제실이 있는 고급 화장실
접근 가능 스레드	1개	설정된 값(N) 만큼 (1개도 가능)	1개
동작 원	락(Lock)을 가진 스레드만 접근	카운트(Count) 방식으로 접근 허용	언어 차원에서 제공하는 캡슐화된 락
락(Lock)해제 권한	반드시 락을 획득한 스레드만 해제 가능	락을 획득하지 않은 다른 스레드도 해제 가능 (신호 전송)	락을 획득한 스레드만 해제 가능 (자동 처리)
구현 수준	운영체제(OS) 단에서 제공	운영체제(OS) 단에서 제공	프로그래밍 언어(프레임워크) 단에서 제공

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교착 상태

교착 상태(Deadlock)란?

프로세스(또는 스레드) 두 개 이상이 서로 상대방이 가진 자원을 기다리다가 둘 다 영원히 멈춰버리는 상태

• 예: A는 B가 가진 프린터를 기다리고, B는 A가 가진 파일을 기다리는데, 둘 다 안 놓아주면 영원히 못 움직이는 상황 발생.

교착 상태가 발생하는 4가지 원인

상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스는 접근이 불가능

- 자원을 한 번에 하나만 쓸 수 있음

점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태

- 자원 잡은 채로 다른 자원 기다림

비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음

- 남의 자원 강제로 뺏을 수 없음

환형 대기 : 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

- 서로 돌고 도는 형태로 기다림

 

교착 상태의 해결 방법

예방 (설계 단계에서 아예 막기)

• 처음부터 저 4가지 원인 중 하나라도 성립 안 하게 설계
• 예를 들어 자원을 여러 개가 동시에 써도 되게 만들면 상호 배제 조건이 깨지니까 교착 상태 자체가 발생하지 않음
• 단, 미리 다 막으려다 보면 자원 활용 효율이 떨어질 수 있음

회피 (은행원 알고리즘)

• 자원을 내주기 전에 이걸 내줘도 안전한지 미리 계산해보는 방법
• 은행원 알고리즘: 은행이 대출해줄 때 이 돈을 빌려줘도 은행이 파산 안 하겠지?를 미리 따져보는 것처럼, 운영체제도 자원을 주기 전에 이걸 주면 나중에 교착 상태가 안 생기겠지?를 검사하고 안전할 때만 내줌

탐지 및 복구 (일단 놔뒀다가 걸리면 처리)

• 교착 상태가 생기는 걸 막지 않고 일단 두다가, 실제로 발생하면 사이클(서로 물고 물리는 고리)을 찾아내서 관련된 프로세스를 강제로 없애버리는 방법

무시 (현대 운영체제가 실제로 쓰는 방식)

• 교착 상태는 매우 드물게 일어나고, 미리 막으려는 비용이 크기 때문에 현대 운영체제들은 그냥 놔뒀다가 사용자가 직접 작업을 종료하는 방법을 채택
• 예: 프로그램이 멈춘 것 같으면 사람이 직접 작업 관리자에서 강제 종료