면접을 위한 CS 전공 지식 노트-[3.3 프로세스와 스레드]

프로세스(process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말한다. CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)과 비슷한 용어로 사용된다. 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.

 

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화된 것을 말한다. 

• 프로그램: 구글 크롬 프로그램과 같은 실행 파일
• 프로세스: 구글 크롬을 클릭 후 프로세스가 실행

프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역한다. 

 

아래의 컴파일 과정의 설명은 C를 기준으로 한다.

 

전처리 

소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다. 

 

컴파일러

오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리언어로 변환한다. 

 

어셈블러

어셈블리어는 목적 코드(object code)로 변환된다. 이떄 확장자는 OS마다 다르며, 리눅스에선 .o이다. ( test.c => test.o)

 

링커

프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 + 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다. (실행 파일 .exe, .out이라는 확장자를 가진다) 

 

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

• 정적 라이브러리: 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모드  코드를 실행 파일에 넣는 방식을 말한다. 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮으며 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있다. 
• 동적 라이브러리: 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식이다. 

 

3.3.2 프로세스의 상태

 

 생성 상태 (create)

생성 상태는 프로세스가 생성된 상태를 의미한다. fork() / exec() 함수를 통해 생성된다. PCB가 할당된다. 

 

fork()

fork()는부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. 주소만 복사하고 프로세스를 상속 받지는 않는다. 

 

exec()

새롭게 프로세스를 실행하는 함수 

 

대기 상태(Ready)

메모리 공간이 충분하면 메로리를 할당 받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.

 

대기 중단 상태(Ready Suspended)

메모리 부족으로 일시 중단된 상태를 말한다.

 

실행 상태 (Running)

CPU 소유권과 메모리를 할당받고 있는 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미한다. CPU burst가 일어났다고도 말한다. 

 

중단 상태(Block)

어떤 이벤트가 발생함에 따라 프로세스가 차단된 상태를 말한다. I/O 디바이스에 의해서 이러한 상황이 많이 발생한다. 

 

일시 중단 상태 (Blocked Suspended) 

대기 중단과 유사하게 중단된 상태에서 프로세스를 실행하려고 하지만, 메모리 부족으로 인해 일시 중단된 상태를 말한다. 

 

종료 상태(Terminated)

CPU와 메모리를 모두 놓고 가는 상태를 말한다. 

• 비자발적 종료: 부모 프로세스가 자식을 프로세스를 강제로 종료하는 경우를 말한다.

 

3.3.3 프로세스의 메모리 구조

스택

지역변수, 매개변수, 함수가 저장되며, 컴파일 시에 크기가 결정되며 동적인 특징이 있다. 

스택은 함수를 재귀적으로 호출하기 때문에 동적인 특징이 있는데 힙과 겹치면 안되기 때문에 중간에 공간을 비워 놓는다. 

 

힙 

힙은 동적 할당 때 사용되며, 런타임 시 크기가 결정된다. 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당된다. 힙은 "동적"인 특징을 가진다. 

 

데이터 영역 

전역변수, 정적 변수가 저장되며, 정적인 특징을 갖는 프로그램들이 종료되면 사라지는 변수들이 저장된다. (BSS와 Data 영역으로 나뉜다)

• BSS: 초기화되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장된다. 
• Data: 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장된다. 

코드 영역

프로그램 내에 저장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역을 말한다. 수정 불가능 기계어로 저장돼 있으며 정적인 특징을 가진다. 

 

3.3.4 PCB(Process Control Blcok)

OS에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다. 프로세스 제어 블록이라고도 하며 프로세스가 생성되면 함께 생성된다.

 

프로그램 생성 => 프로세스 생성 => 프로세스 주소 값들에 스택 힙 등 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 그리고, 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 중요한 정보들이 주로 있기 때문에 커널 스택의 가장 앞부분에 관리하여 접근 제한을 한다.

 

용어 
- 메타데이터: 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터이다. 많은 정보 속에 찾고자하는 정보를 보다 효율적으로 찾고자 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터이다.

 

PCB의 구조

PCB는 프로세스 세케줄링 상태, 프로세스 ID 등 다음과 같은 정보들로 구성된다. 

• 프로세스 스케줄링 상태: "준비", 일시중단 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 후의 상태 
• 프로세스 ID: 해당 프로세스이 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 IO 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터: 다음 실행해야 할 명령어의 주소 포인터 
• CPU 레지스터: 프로세스 실행을 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
• CPU 스케쥴링 정보: CPU 스케줄러에의해 중단된 시간 등에 대한 정보
• 계정 정보: 사용된 CPU 용량, 유저의 정보( 프로스세 실행 기준) 
• IO 상태 정보: 프로세스에 할당된 IO 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭 (context switching) 

PCB를 교환하는 과정을 말한다.

컴퓨터에서 여러 프로그램이 마치 동작이 되는 것처럼 보이는 것은 컨텍스트 스위칭이 빠르게 일어나서이다.  멀티코어에선 한 프로그램만 실행된다는 것은 거짓이지만, 코어가 한 개라고 가정했을 때 위의 설명을 둘 수 있을 것이다. 

 

위 그림처럼 프로세스 Po가 실행하다가 멈추면 Po의 PCB를 저장하고 P1의 프로세스를 로드한다. 그리고 P1를 저장하고 다시 Po으로 돌아온다. 위 사진에서 볼 수 있듯이 스위칭이 과정에서 유후 시간이 발생함을 볼 수 있다. 추가로 캐시미스라는 비용이 더 든다. 

 

비용: 캐시미스

켄텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기기 때문에 캐시 클리어 과정을 겪게 된다. 따라서, 캐시미스가 발생하게 된다. 

 

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 적게 걸린다. 

 

3.3.5 멀티프로세싱

멀티프로세스(여러 프로세스)를 통해 두 가지 이상의 일을 수행하는 것을 말한다.

장점

• 하나 이상의 일을 병렬적 처리 가능 
• 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 생기더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있다.(신뢰성이 높음) 

웹 브라우저

웹 브라우저도 멀티프로세스 구조를 가지고 있다. 

 

브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당 + 네트워크 요청 + 파일 접근 권한 등

렌더러 프로세스: 웹 사이트가 보이는  부분의 모든 것을 제어

플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어

GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

 

IPC (Inter Process Communication) 

멀티프로세스는 IPC가 가능하다.

IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고 받고 공유 데이터를 관리하는 매커니즘을 의미한다.

클라이언트에서 서버에 데이터를 요청하고 이를 응답하는 것도 IPC의 한 예이다. 

 

IPC의 종류 (메로리를 완전히 공유하는 스레드보다 속도가 떨어진다)

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

공유 메모리

 

프로세스가 서로 통신할 수 있도혹 공유 버퍼를 생성한느 것을 말한다.

일반적으로 프로세스 간 메모리 접근이 불가능하지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 순 있다. 

IPC 방식 중 메모리 자체를 공유해 데이터 복사에 따른 오버헤드가 발생하지 않고, 빠르며, 메모리 영역을 공유하기 때문에 동기화도 필요없다. 

하드웨어 관점: 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 램덤 접근 메모리인 RAM을 지칭하기도 한다. 

 

파일 

파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말한다. (이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다)

 

소켓

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미한다. (TCP/UDP가 있다)

 

익명 파이프 (unamed pipe)

프로세스 간 FIFO 방식으로 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다.

익명 파이프는 부모, 자식 프로세스 간에만 사용이 가능하다. 

 

명명된 파이프 (named pipe) 

서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말한다.

클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다.  컴퓨터의 프로세스끼리 + 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신이 가능하다. 

 

하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴를 기반으로 통신한다.

 

메세지 큐

메시지 큐는 메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 

커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른  IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하다. 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드로 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다. 

 

공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해진다. 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다. 

 

3.3.6 스레드와 멀티스레딩 

스레드 

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 프러세스는 여러 스레드를 가질 수 있다. 

코드, 데이터, 스택, 힙 각각을 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터 힙은 스레드끼리 서로 공유한다. 그 외 영역들은 각각 생성된다. 

 

멀티스레딩 

멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드 멀티스레드로 처리하는 기법을 말한다. 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다. 

장점

ex) 웹 요청을 처리할 때 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며, 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드가 실행 가능 상태이면 중단 없이 처리가 가능하다. 

동시성에도 큰 장점이 있다. 

 

단점

스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 주며, 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다. 

용어
- 동시성: 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보이는 것

멀티스레드의 예로는 웹 브라우저의 렌더러 프로세슬 예로 들 수 있다. 

worker threads: 조수

raster thread: 화면을 픽셀로 변환

compositior thread: 레이어 합성

 

3.3.7 공유 자원과 임계 영역

공유 자원(shared resource) 

시스템 안에서 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터,  프린터, 메모리, 파일 등 자원이나 변수 등을 의미한다.

두 개 이상의 프로세스가 동일한 공유 자원을 동시에 R/W 하려는 상황을 경쟁 상태(race conditon)이라고 한다. 동시 접근했을 때 타이밍이나 순서에 따라 결과값에 영향을 주는 상태인 것이다. 

 

공유 자원 예시

각각 다른 두 개의 프로세스에서 100인 값에 더 하기 100을 더 했을 때 최종 값이 300임에도 불구하고, 접근 타이밍 등으로 인해 200으로 출력하는 경우를 말한다. 

 

임계 영역 (critical section) 

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 장원에 접근할 때 순서 등의 이류로 결과가 달라지는 코드 영역을 의미한다. 임계 영역을 연결하기 위한 방법으론 크게 Mutex, samaphore, 모니터 총 3가지 있으며, 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다. 

 

위 방법의 토대가 되는 것이 잠금이다. 임계 영역을 화장실이라고 한다면  화장실에 A라는 사람이 들어간 다음 문을 잠금한 것이다. 그리고 기다리다가 나오면 다음 사람이 들어가는 형식이다. 

 

용어
- 상호 배제: 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다. 
- 한정 대기: 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다. 
- 융통성: 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안 된다.

 

Mutex

프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock() 설정을 하고 사용 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다.

잠금 설정: 다른 프로세스/스레드들이 접근 불가

잠금 해제: 접근 가능

Mutex는 잠금/잠금 해제라는 상태만을 지칭한다. 

세마포어 (semaphore)

일반화된 뮤텍스, 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수) 및 signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다. 

wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다. 

 

프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세모포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다.  세마포어에는 조건 변수가 없으며, 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다. 

 

바이너리 세마포어

0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다. 

구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있다. 

- 뮤텍스: 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 잠금 매커니즘

- 바이너리 세마포어: 신호를 기반으로 상호배제가 일어나는 '신호 매커니즘 (노래 듣는 중에 전화가 오면 노래가 중단되는 것) 

 

카운팅 세마포어

카운팅 세마포어는 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이다. 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용한다. 

 

모니터

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

 

모니터는 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업을 순차적으로 처리한다. 

 

3.3.8 교착 상태 

교착 상태(deadlock)는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다. 

ex) 프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 프로세스 A가 점유하고 있는 자원을 요청할 때 발생한다. 

 

교착 상태의 원인

• 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며, 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다.
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태 
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다
• 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 자원을 요구하는 상황

해결책

• 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다. 
• 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 "은행원 알고리즘"을 쓴다. 
• 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾고 이에 관한 프로세스를 한 개씩 지운다. 
• 교착 상태의 처리 비용이 너무 크기 때문에 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. 현대 운영체제는 이 방법을 채택한다. ex) 응답없음이라고 뜨는 경우

용어
- 은행원 알고리즘: 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 인정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘