프로세스(Process)와 스레드(Thread)

프로세스와 스레드

프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말한다.
CPU 스케줄링의 대상이되는 작업(task)라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다.
프로세스 간에는 메모리 등의 자원을 공유하지 않는다.

스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.
하나의 프로세스 내에 여러개의 스레드를 가질 수 있다.
한 프로세스에서 여러 스레가 자원을 공유하고 있기때문에 잘 못 구현하면
다른 스레드에도 치명적인 영향을 미칠 수 있다.

그림 출처 - jokerkwu

프로세스의 컴파일 과정

프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 의미한다.
예를들어 구글 크롬 프로그램 파일(chrome.exe)과 같은 실행 파일을 말하고
이를 실행하면 구글 크롬 프로세스로 변환되는 것이다.

프로그램을 만드는 과정은 만드는 언어마다 다르다.
컴파일 언어인 C언어 기반의 프로그램을 기준으로 설명하면 컴파일러가
컴파일 과정을 통해 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하여
실행할 수 있는 파일을 만들게 된다.

컴파일러
오류처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다.

어셈블러
어셈블리어는 목적코드로 변환하게 된다. 이때 확장자는 운영체제마다 다른데
리눅스에스는 .o 이다.

라이브러리
라이브러리는 정적,동적으로 나뉜다.
정적 라이브러리는 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를
실행파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 쓰는 방법이다.

동적 라이브러리는 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해
참조하여 라이브러리를 쓰는 방법이다.

링커
프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적코드를 결합하여
실행 파일을 만든다. 실행파일의 확장자는 .exe또는 .out라는 확장자를 가진다.

프로세스의 상태

프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 가진다.

그림 출처 - many258

New (생성상태)
프로세스가 생성된 상태를 의미하며, fork() 또는 exec()
함수를 통해 생성한다. 이때 PCB가 할당된다.

fork()
부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는
한수이다. 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지 않는다.

exec()
새롭게 프로세스를 생성하는 하수이다.

Ready (대기 상태)
메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로
대기하고 있으며 CPU 스케줄러부터 CPU 소유권이 넘어오기 기다리는 상태이다.

Suspended Ready (대기중단 상태)
메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

Running (실행 상태)
CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미한다.
CPU burst가 일어났다고도 표현합니다.

Blocked Suspended (중단 상태)
어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태이다.
I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 많이 발생하기도 한다.
예를 들어 프린트 인쇄버튼을 눌렀을때 프로세스가 잠깐 멈춘들할때의 상태와 비슷하다.

Wait or Block (일시 중단 상태)
대기 중단과 유사하다. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고
했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

Exit (종료 상태)
메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다.
종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를
강제시키는 비자발적 종료로 종료되는 것도 있다. 자식 프로세스에 할당된 자원의
한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자 process.kill 등 여러 명령어로
프로세스를 종료할 때 발생합니다.

프로세스의 메모리 구조

그림 출처 - minhamina

스택, 힙, 데이터 영역, 코드영역으로 나뉘어 진다.
스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

스택과 힙
스택과 힙은 동적 할당이 되며, 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리 할당받는 것을 말한다.

스택은 지역변수, 매개변수, 실행되는 항숨에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역이다.
함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장된다.

힙은 동적으로 할당되는 변수를 담는다.

데이터 영역과 코드영역
이 영역은 정적 할당되는 영역이다. 정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말한다.
데이터 영역은 BSS segment, Data segmenet, code/text segment로 나뉘어서 저장된다.

BSS segment : 전역변수 또는 static, const로 선언되고 있고 0으로 초기화 또는 초기화 되지 않은 변수들
Data segment : 전역변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수들
code segment : 프로그램의 코드가 들어간다.

PCB

Process Controler Block의 약자로 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를
저장한 데이터를 말한다. 프로세스 제어 블록이라고도한다. 프로세스가 생성되면
운영체제는 해당 PCB를 생성한다.

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고
프로세스 주소 값들에 스택,힙 등의 구조를 기반으로 메로리가 할당된다.
그리고 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 데이터이다.

프로세스의 구조

프로세스 스케쥴링 상태 : ‘준비’, ‘일시중단’ 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후 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 과정이다. 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
컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실해오디기 때문이다.

프로세스 A를 실행
-> 프로세스 A의 PCB를 저장
-> 프로세스 B의 PCB를 로드
-> 프로세스 B를 실행
-> 프로세스 B의 PCB를 저장
-> 프로세스 A의 PCB를 저장
-> 프로세스 A를 싱행

2개의 프로세스에서 컨텍스트 스위칭이 발생하는 과정이다.
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 유휴시간이 발생하고, 이뿐만이 아니라
캐시미스라는 비용도 발생하게 된다.

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 프로세스만이 아닌 스레드에서도 일어난다. 스레드는 스택 영역을 제외한
모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도
더 적게 걸린다고 한다.

멀티 프로세싱

여러개의 ‘프로세스’, 즉 멀티프로세스를 통해 2가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다.
이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중
일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해 처리할 수 있으므로 신뢰성을 높일 수 있다고한다.

웹 브라우저
웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있다.

브라우저 프로세스 : 주소표시줄, 북마크 막대, 뒤로가기버튼 등 네트워크 요청이나 파일접근 같은 권한을 담당
렌더러 프로세스 : 웹 사이트가 보이는 부분의 모든것을 제어
플러그인 프로세스 : 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어
GPU 프로세스 : GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

IPC
Inter Process Communication의 약자로 프로세스끼리 데이터를
주고받고 공유 데이터를 관리하는 매커니즘을 뜻한다.

IPC의 종류로는 공유메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다.
이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

공유 메모리
여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록
공유 메모리를 생성해서 통신하는 것을 말한다.

파일
파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 의미하고, 이를 기반으로
프로세스 간 통신을 한다.

익명 파이프
프로세스 간에 FIFO 방식을로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받는다.
단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식

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

메시지 큐
메시지를 큐 데이터 구조형태로 관리하는 것을 의미한다. 이는 커널의 전역변수 형탱 등 커널에서
전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용방법이 매우 직관적이고 간단하며 다른 코드의
수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다.

스레드와 멀티스레딩

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

멀티스레딩
멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법을 말한다.
스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다. 예를 들어 웹 요청을 처리할 때
새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비한다.
동시성에 큰장점이 있지만, 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에 영향을 끼칠 수 있는 단점이 있다.

공유 자원과 임계 영역

공유 자원
공유 자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는
모니터,프린터,메모리,파일,데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다.

이 공유 자원을 두개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경재상태라고 한다.
동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있다.

임계 영역
둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.
임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세가지를 가지고 있다.

뮤텍스
프로세스나 스레드가 공유자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는
unlock()을 통해 잠금 해제를 하는 객체가 뮤텍스이다. 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는
잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대이다.

그림 출처 - dankook

세마포어
일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(), signal()로
공유자원에 접근을 처리해준다.

wait() : 자신의 차례가 올때까지 기다리는 함수
signal() : 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수

그림 출처 - dankook

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

그림과 같이 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다.

교착 상태

교착 상태는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

예를 들어 A프로세스가 B프로세스의 어떤 자원을 요청할 때
B프로세스에서도 A프로세스의 자원을 요청하는 상황일때이다.

교착 상태의 원인

상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며, 다른 프로세스들은 접근이 불가능한 상태
점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없는 상태
환형 대기 : 서로가 자원을 요구하는 상태

교착 상태의 해결 방법

자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
교착 상태 가능성이 없을 때만 자원이 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘을 사용
교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
교착 상태는 매우 드믈게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. 현대 운영체제는 이 방법을 채택했다. (ex: 응답없음이라고 발생하는 경우)

은행원 알고리즘?
안정상태를 유지할 수 있는 요구만 수락하고 불안전 상태를 초래할 수 있는 사용자의 요구는
나중에 만족할 수 있을 때까지 계속 거절한다.

ex) A: $60, B: $40, C $50 달러가 필요한 상태
은행은 $100의 자본을 가지고 있고 은행에서 A: $20, B: $30, C: $30 을 빌려주었을 경우 $20달러를 보유.

이상태에서 B에게 먼저 빌려준 후 상황을 해결한 다음 빌린돈을 받고
다음 고객들의 문제들을 해결할 수 있음.
A에게 빌려줄 경우 셋다 아무도 해결해줄 수 없는 상황이기 때문.

CPU 스케줄링 알고리즘

CPU 스케줄러는 CPU 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스에서 해야 하는 일을
스레드 단위로 CPU에 할당한다.

프로그램이 실행될 때는 CPU 스케줄링 알고리즘이 어떤 프로그램에 CPU 소유권을 줄 것인지 결정한다.

비선점형 방식
프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식으로 강제로 프로세스를 중지하지 않는다.
따라서 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적다. (FCFS, SJF, 우선순위 등)

선점형 방식
현대 운영체제가 쓰는 방식으로 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고
강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식을 말한다. (라운드 로빈, SRF, 다단계 큐 등)