[CS] 프로세스와 스레드(1)

프로세스(process)

• 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
• CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)와 거의 동일한 의미로 사용됨.

스레드(thread)

• 프로세스 내 작업의 흐름

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행

1. 프로세스와 컴파일 과정

프로세스 → 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화 된 것.

ex) 프로그램은 구글 크롬 프로그램과 같은 실행 파일, 더블클릭 시 구글 크롬 프로세스로 변환되는 것.

1. 전처리
   • 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환
2. 컴파일러
   • 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환.
3. 어셈블러
   • 어셈블리어는 목적 코드 (object code)로 변환된다. 이때 확장자는 운영체제마다 다름.
   • (리눅스에서는 .o )
4. 링커
   • 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다.
   • 실행 파일의 확장자는 .exc 또는 .out이라는 확장자를 가진다.

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

• 정적 라이브러리
  • 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코들르 실행 파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 사용하는 방법.
  • 장점 : 외부 의존도가 낮다.
  • 단점 : 코드 중복 등의 낮은 메모리 효율성
• 동적 라이브러리
  • 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리르 쓰는 방법.
  • 장점 : 메모리 효율성
  • 단점 : 외부 의존도가 높다.

2. 프로세스의 상태

1. 생성 상태(Create)
   • 프로세스가 생성된 상태를 의미
   • fork() 또는 exec()함수를 통해 생성.
   • 이 때 PCB가 할당
   • fork()
     • 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
     • 주소 공간만 복사
     • 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.
   • exec()
     • 새롭게 프로세스를 생성하는 함수.
2. 대기 상태 (Ready)
   • 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당 받고, 아니면 아닌 상태로 대기하고 있음
   • CPU 스케쥴러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태
3. 대기 중단 상태 (Ready suspended)
   • 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
4. 실행 상태 (Running)
   • CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태
   • CPU burst가 일어났다고도 표현
5. 중단 상태(Blocked)
   • 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
   • I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생
6. 일시 중단 상태 (Blocked Suspended)
   • 대기 중단과 유사
   • 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
7. 종료 상태(Reminated)
   • 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가능 상태
   • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)
   • 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process, kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생한다.

3. 프로세스의 메모리 구조

스택과 힙

• 동적 할당 영역
  • 동적 할당 : 런타임 단계에서 메모리를 할당 받는 것.
• 스택
  • 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어든느 메모리 영역
  • 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장.
  • 재귀 함수가 호출 → 새로운 스택 프레임 매번 사용
    • 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않음.
• 힙
  • 동적으로 할당되는 변수들을 담는 구조
  • malloc(), free() 함수를 통해 관리
  • 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우 힙 영역 사용
  • vector는 내부적으로 힙 영역을 사용한다.

데이터 영역과 코드 영억

• 정적 할당 영역
  • 컴파일 단계에서 메모리를 할당
• 데이터 영역
  • BSS segment, Data segment, code/text segment로 나뉘어 저장
  • BSS segment
    • 전역 변수 또는 static, const로 선언
    • 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들 할당
  • Data segment
    • 전역 변수 또는 static, const로 선언
    • 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당.
  • code segment
    • 프로그램의 코드가 들어가는 영역

4. PCB

PCB(Process Control Block)

• 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터
• 프로세스 제어 블록
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당됩니다. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리됩니다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리됩니다.

 💡 메타데이터

• 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터
• 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터이다.

 

PCB의 구조

PCB는 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보로 이루어져 있다.

• 프로세스 스케줄링 상태 : ‘준비’, ‘일시중단’ 등 프로세스가 CPU에 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 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
• 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

컨텍스트 스위칭(Context Switching)

• PCB를 교환하는 과정
• 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생
• 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이나, 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문

• 캐시미스
  • 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기게 된다.
    • 이 때 캐시 클리어 과정을 겪게 되어 캐시 미스가 발생한다.
• 스레드에서의 컨텍스트 스위칭
  • 스레드에서도 컨텍스트 스위칭이 일어난다.
  • 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하므로 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.
  •  

5. 멀티프로세싱

멀티프로세싱

• 여러 개의 프로세스, 즉 멀티 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행
• 하나 이상의 일을 병렬로 처리
• 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점

웹브라우저

• 브라우저 프로세스 : 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당한다.
• 렌더러 프로세스 : 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어한다.
• 플러그인 프로세스 : 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다.
• GPU 프로세서 : GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다.

IPC(Inter Process Comminication)

• IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
• ex) 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답
• 종류 : 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐
• 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다 속도가 떨어진다.

6. 스레드와 멀티스레딩

스레드

• 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
• 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유한다.
• 그 외의 영역은 각각 생성

멀티스레딩

• 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법
• 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.
• ex) 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며, 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드는 실행(running) 상태 일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능
• 장점
  • 자원 공유로 인한 효율성
  • 중단되지 않은 빠른 처리, 동시성
• 단점
  • 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다.