프로세스와 스레드

1. 개념

- 프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램.

- 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름.

- 프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 발생.

- 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행.

 

 

2. 프로세스와 컴파일 과정

- 프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화 된 것.

- 프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것을 의미.(C언어 기반의 프로그램을 말함)

• 전처리: 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환.
• 컴파일러: 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환.
• 어셈블러: 어셈블리어는 목적 코드로 변환. 이때 확장자는 운영체제마다 다름. (리눅스는 .o)
• 링커: 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듦.

* 정적 라이브러리와 동적 라이브러리

정적 라이브러리는 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식.

시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있음.

 

동적 라이브러리는 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식.

메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점이 있음.

 

 

3. 프로세스의 상태

- 프로세스는 여러 가지 상태 값을 갖음.

• 생성 상태: 생성 상태(create)는 프로세스가 생성된 상태를 의미. fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성. 이때 PCB가 할당.

* fork()

fork()는 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수.

주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하진 않음.

 

* exec()

exec()은 새롭게 프로세스를 생성하는 함수.

• 대기 상태: 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태.
• 대기 중단 상태: 메모리 부족으로 일시 중단된 상태.
• 실행 상태: CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미. (CPU burst가 일어났다고도 표현)
• 중단 상태: 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태.
• 일시 중단 상태: 대기 중단과 유사. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만, 메모리 부족으로 일시 중단된 상태.
• 종료 상태: 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태. 종료는 자연스럽게 종로되는 것도 있지만, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료로 종료되는 것도 있음. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생.

 

 

4. 프로세스의 메모리 구조

- 프로세스는 스택, 힙, 데이터 영역, 코드 영억으로 나뉨.

- 스택은 위 주소로부터 할당되고 힙은 아래 주소로부터 할당됨.

 

• 스택: 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 '동적'인 특징이 있음. 스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓음.
• 힙: 힙은 동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정됨. 힙은 '동적'인 특징이 있음.
• 데이터 영역: 전역변수, 정적변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역. 데이터 영역은 BSS 영역과 Data 영역으로 나뉘고, BSS 영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 Data 영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장됨.
• 코드 영역: 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역. 이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징이 있음.

 

 

5. PCB

- PCB(Process Control Block)는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말함.(프로세스 제어 블록이라고도 함)

- 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성.

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

 

* 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 데이터.

 

- PCB의 구조

• 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

PCB를 교환하는 과정.

한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생.

 

 

6. 멀티프로세싱

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

- 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높음.

 

 

7. 스레드와 멀티스레딩

- 스레드

프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음.

코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유. 그 외영역은 각각 생성

 

- 멀티스레딩

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법.

스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음.

스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있음.

 

 

8. 공유 자원과 임계 영역

- 공유 자원

공유자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미.

공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라 함.

동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태.

 

- 임계 영역

임계 영역은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말함.

임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있음.

이 방법들은 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족함.

 

 

9. 교착 상태

- 교착 상태는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태.

- 교착 상태의 원인

• 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능.
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태.
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음.
• 환형 대기: 프로세스A는 프로세스B의 자원을 요구하고 B는 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 교환하는 상황.

- 교착 상태의 해결 방법

• 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계.
• 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 사용
• 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 삭제.
• 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료함.

* 은행원 알고리즘

총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘.

 

 

 

- 참고

http://www.yes24.com/Product/Goods/108887922