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[BOOK] 프로세스와 스레드 본문

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[BOOK] 프로세스와 스레드

minjuuu 2023. 5. 3. 00:11
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  • 프로세스(process)
    • 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
    • CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)
  • 스레드
    • 프로세스 내 작업의 흐름

프로그램과 프로세스

  • 프로세스와 컴파일 과정
    • 프로세스 : 프로그램으로부터 인스턴스화된 것
      ex) 프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)과 같은 실행 파일이며,
      이를 두 번 클릭하면 구글 크롬 '프로세스'가 시작되는 것.
    • 프로그램 : 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것.
      (여기서 말하는 프로그램이란 C 언어 기반의 프로그램을 의미하며, 인터프리터 언어로 된 프로그램과는 다르다)
    • 프로그램의 컴파일 과정 :
      소스 코드 파일 -> 전처리 -> 컴파일러 -> 어셈블리어 -> 어셈블러 -> 목적코드 -> 링커 -> 실행 가능한 파일

프로그램의 컴파일 과정

  • 전처리
    • 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.
  • 컴파일러
    • 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다.
  • 어셈블러
    • 어셈블리어는 목적 코드(object code)로 변환한다.
  • 링커
    • 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다.
    • 정적 라이브러리와 동적 라이브러리
      • 정적 라이브러리 : 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식.
        시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점
      • 동적 라이브러리 : 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식.
        메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점

  • 프로세스의 상태
    • 생성 상태(create)
      • 프로세스가 생성된 상태
      • fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다.
        • fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하여, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
          주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.
        • exec() : 새롭게 프로세스를 생성하는 함수
    • 대기 상태(ready)
      • 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 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
    • 중단 상태(blocked)
      • 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
      • ex) 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘 듯할 때
    • 일시 중단 상태(blocked suspended)
      • 대기 중단과 유사.
      • 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
    • 종료 상태(terminated)
      • 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
      • 자연스럽게 종료되는 것도 있지만, 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료(abort)로 종료된다.
  • 프로세스의 메모리 구조
    • 운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당한다.
    • 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

프로세스의 메모리 구조

  • 스택
    • 지역변수, 매개변수, 함수가 저장된다.
    • 컴파일 시에 크기가 결정되며 '동적'인 특징을 갖는다.
    • 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데,
      힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓는다.
  • 힙
    • 동적 할당할 때 사용되므로 '동적'인 특징을 갖는다.
    • 런타임 시 크기가 결정된다.
    • ex) 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당된다.
  • 데이터 영역
    • 전역변수, 정적변수가 저장된다.
    • 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역
    • BSS 영역과 Data 영역으로 나뉘고,
      • BSS 영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장된다.
      • Data 영역(Data segment)은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장된다.
  • 코드 영역
    • 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역
    • 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 가진다.
  • PCB(Process Control Block)
    • 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'
    • 프로세스 제어 블록이라고도 한다.
    • 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다.
      • 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
    • 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.
    • PCB의 구조
      • 프로세스 스케줄링 상태 : '준비', '일시주단' 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
    • 콘텍스트 스위칭(context switching)
      • PCB를 교환하는 과정
      • 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.
      • 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는
        단 한 개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 콘텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다.
      • 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명은 틀린 설명.
        • 하지만 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어를 기준으로 설명한다.

컨텍스트 스위칭

  • 한 개의 프로세스 P0이 실행하다 멈추고, 프로세스 P0의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 P1을 로드하여 실행한다.
    그리고 다시 프로세스 P1의 PCB를 저장하고 프로세스 P0의 PCB를 로드한다.
    컨텍스트 스위칭이 일어날 때 위의 그림처럼 유휴 시간(idle time)이 발생하는 것을 볼 수 있다.
  • 비용: 캐시미스 : 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.
  • 스레드에서의 컨텍스트 스위칭 : 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어난다.
    • 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.
  • 멀티프로세싱
    • 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 높은 강점이 있다.
  • 웹 브라우저
    • 웹 브라우저의 멀티프로세스 구조
      • 브라우저 프로세스 : 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 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 프로세스 : GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다.
  • IPC(Inter Process Communication)
    • 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
    • ex) 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것
    • IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다.
      이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.
    • 공유 메모리(shared memory)
      • 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것
      • 기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다.
      • IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르며 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.
      • 하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM을 가리키기도 한다.
    • 파일
      • 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터
      • 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.
    • 소켓
      • 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터
      • ex) TCP와 UDP
    • 익명 파이프(unamed pipe)
      • FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받는다.
      • 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파일을 만들어서 작동하는 방식
      • 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크상에서는 사용이 불가
    • 명명된 파이프(named pipe)
      • 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프
      • 클라이언트/ 서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다.
      • 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신할 수 있다.
    • 메시지 큐
      • 메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것
      • 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하다.
      • 공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.
  • 스레드와 멀티스레딩
  • 스레드
    • 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
    • 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리
      스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유한다. 그 외의 영역은 각각 생성된다.

프로세스와 멀티스레드

  • 멀티스레딩
    • 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법
    • 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.
    • 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드는 실행(running) 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다.
    • 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.
    • ex) 렌더러 프로세스 (메인 스레드, 워커 스레드, 컴포지터 스레드, 레스터 스레드)
  • 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 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)이라고 한다.
  • 임계 영역(critical section)
    •  둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역
    • 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며
      이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다.
      이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)이다.
    • 뮤텍스(mutex)
      • 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체
      • 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 체제라는 상태만을 가진다.
    • 세마포어(semaphore)
      • 일반화된 뮤텍스
      • 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait 및 signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
      • 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다.
      • 바이너리 세마포어
        • 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어
        • 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 '잠금 메커니즘'
        • 세마포어는 신호를 기반으로 상호배제가 일어나는 '신호 메커니즘'
      • 카운팅 세마포어
        • 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어
        • 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다.
    • 모니터
      • 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.
      • 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다.
  • 교착 상태(deadlock)
    • 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
    • 교착 상태의 원인
      • 상호 배제
      • 점유 대기
      • 비선점
      • 환형 대기

책에 있는 대로 라면 CPU 스케줄링 알고리즘도 정리해야 하는데
이미 지금 프로세스와 스레드에서도 많은 부분이 막히고 이해가 안 되는 상태이다..
깊게 들어오니 알아야 하는 것들이 너무 많아서, 우선 큼직큼직한 용어들이라도 이해하고 넘어가도록 하자

  • 프로세스 : 프로그램으로부터 인스턴스화된 것
  • 프로그램 : 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것.
  • 프로그램의 컴파일 과정 :
    소스 코드 파일 -> 전처리 -> 컴파일러 -> 어셈블리어 -> 어셈블러 -> 목적코드 -> 링커 -> 실행 가능한 파일
  • 프로세스의 메모리 구조 :
    스택 -> 힙 -> 데이터 영역(BSS, Data) -> 코드 영역
  • PCB : 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'
    • 프로세스 제어 블록이라고도 한다.
    • 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다.
  • 콘텍스트 스위칭 : PCB를 교환하는 과정
    • 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.
    • 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는
      단 한 개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 콘텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다.
    • 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어를 기준으로 설명
  • 멀티 프로세싱 : 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 높은 강점이 있다.
    • 웹 브라우저, IPC(Inter Process Communication)
  • 스레드 : 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
    • 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리
      스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유한다. 그 외의 영역은 각각 생성된다.
  • 멀티스레딩 : 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법
    • 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.
    • 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드는 실행(running) 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다.
    • 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.

출처 : 면접을 위한 CS 전공지식 노트

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