프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며, CPU 스케쥴링의 대상이 되는 작업(task)와 거의 같은 의미로 쓰인다.
스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 이야기한다.
그림처럼 프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고,
이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다.
즉, 프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화 된 것을 말한다.
예로 구글 크롬 프로그램과 같은 실행 파일이며, 이를 두번 클릭하면 구글 크롬 프로세스로 변환된다.
프로세스와 컴파일 과정 (예시 : C언어)
- 전처리
소스 코드의 주석을 제거하고 #include, #define 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.
ex) #define... 로 시작되는 전처리 문장을 매크로라고 하며 #define PI 3.14는 PI를 3.14로 치환하는 것을 정의한다. - 컴파일러
오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어(컴퓨터 언어)로 변환한다. - 어셈블러
어셈블리어는 목적 코드로 변환된다.
ex) 리눅스의 경우 cs.c 라는 파일을 만들었을 때 sc.o 라는 파일이 만들어지게 된다. - 링커
프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행파일을 만든다.
ex) 실행 파일의 확장자는 .exe 나 .out이라는 확장자를 갖는다.
라이브러리는 정적 라이브러리와 동적 라이브러리로 나뉜다.
- 정적 라이브러리
프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식이다.
시스템 환경 등 외부 의존도가 낮은 장점이 있지만 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있다. - 동적 라이브리러
프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL(Dynamic Link Library) 이라는 함수정보를 통해 참조하여 쓰는 방식이다.
메모리 효율성에서 장점을 지니지만 외부 의존도가 높아진다는 단점이 있다.
프로세스의 상태
프로세스의 상태는 여러가지의 상태 값을 갖는다.
- 생성
생성 상태는 프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다.
이때 PCB(Process Control Block)가 할당된다.
PCB는 간단히 이야기하면 운영체제가 프로세스 스케줄링을 위해 프로세스의 관한 모든 정보를 가지고 있는 데이터베이스다.
- fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다.
fork() 함수로 만든 자식 프로세스는 동일한 코드를 부모와 자식에게 각각 할당한 메모리상에서 실행된다. - exec() : 새로운 프로세스를 생성하는 함수이다.
- fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다.
- 대기
대기 상태는 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며,
CPU 스케줄러로 부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다. - 대기 중단
대기 중간 상태는 메모리 부족으로 일시 중단되어 있는 상태이다. - 실행 상태
실행 상태는 CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미한다. (프로세스 실행 중~)
이를 CPU burst 가 일어났다고도 표현한다. - 중단 상태
중단 상태(blocked)는 어떠한 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태입니다.
I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이러한 현상이 발생하기도 합니다.
ex) 프린터 인쇄 버튼을 눌렀을때 프로세스가 잠시 멈춘 듯 할때 - 일시 중단 상태
일시 중단 상태(blocked suspended)는 대기 중단과 유사하다.
중단된 상태에서 프로세스가 실행되려 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다. - 종료 상태
종료 상태는 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다.
부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료도 존재하지만, 자식 프로세스가 할당된 자원의 한계를
넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 process.kill 같은 프로세스 종료 명령어 실행 시 종료됩니다.
[#5] 프로세스 관리 - 2 - Neph's iOS blog
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프로세스의 메모리 구조
운영체제는 프로세스에 적당한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당합니다.
프로세스의 메모리 구조는
스택(stack), 힙(heap), 데이터 영역(Data segement), 코드 영역(code segement)으로 나눠진다.
스택은 위 주소 -> 0xFFFFFFFF 로 부터 할당되고, 힙은 아래 주소로 부터 할당된다.
- 스택 과 힙
스택 과 힙은 동적 할당되며, 동적할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당 받는 것을 말한다.- 스택은 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역을 말한다.
예를 들어 main() 함수 안의 변수들도 메모리를 할당받는데 (늘어남) 함수가 종료되면 메모리에 할당된
변수들을 메모리에서 해제한다. (줄어듬)
재귀함수를 호출할 때 StackOverflow는 재귀가 실행되면서 변수를 메모리에 계속 할당하다가
할당된 메모리 자원 영역을 넘어버리면 발생하는 것이다.
메소드의 정보같은 것이 저장된다. - 힙은 동적으로 할당하는 변수들을 담는다.
쉽게 말해서 '사용자에 의해 관리되는 영역'이다.
malloc(), free() 등의 함수를 통해 관리할 수 있으며, 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 힙을 사용한다.
인스턴스 변수나, New 키워드를 사용해 만드는 변수 영역
- 스택은 지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역을 말한다.
- 데이터 영역과 코드 영역
이 영역은 정적 할당되는 영역이다.
정적 할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말한다.- 데이터 영역은 BSS segement 와 Data segement, code text / segement 로 나뉘어서 저장된다.
- BSS Segement는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고
변수가 0으로 초기화 또는 어떠한 값으로도 초기화 되어 있지 않은 변수가 이곳에 할당된다. - Data Segement 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고
변수가 0이 아닌 값으로 초기화 되어 있을 때 이곳에 할당된다. - code segement는 프로그램의 코드가 이곳에 들어간다.
- BSS Segement는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고
- 데이터 영역은 BSS segement 와 Data segement, code text / segement 로 나뉘어서 저장된다.
PCB (Process Control Block)
PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다.
프로세스의 가장 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.
- 메타데이터 : 데이터를 설명하는 작은 데이터
PCB의 구조
PCB는 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보로 이루어져 있다.
- 프로세스 스케줄링 상태
'준비', '일시 중단' 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태 - 프로세스 ID
프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID를 말한다. - 프로세스 권한
컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보 - 프로그램 카운터
프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소 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 할당단 I/O 디바이스 정보
컨텍스트 스위칭
컨텍스트 스위치이란 PCB를 교환하는 과정을 말한다.
한 프로세스의 할당한 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.
싱글코어 기준으로 컴퓨터가 많은 프로그램을 동시에 처리하는 것처럼 보이는데 사실 실행되는 프로세스는 한개이며
컨텍스트 스위칭이 매우 빠르게 일어나기에 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것이다.
그림과 같이 컨텍스트 스위칭이 일어나면
기다리는 동안 유휴시간이 발생하거나 캐시미스가 일어날 수 있다.
스레드에서도 컨텍스트 스위칭이 일어나는데 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기에
비용이 더 적고 시간도 적게 든다.
- 캐시미스
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면
잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고
이 때문에 캐시미스가 발생한다.
멀티프로세싱
멀티프로세싱은 여러 개의 '프로세스' 즉, 멀티프로세스를 통해 2가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다.
작업을 병렬로 처리 할 수 있어서 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생해도 다른 프로세스를 이용해여
처리할 수 있다는 장점이 있다.
웹 브라우저
웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있다.
웹 브라우저의 멀티프로세스 구조를 알아보자~
- 브라우저 프로세스
주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 권한을 담당한다. - 렌더러 프로세스
웹 사이트가 '보이는' 모든 부분의 모든 것을 제어한다. (보이는 모든 것을 그린다.) - 플러그인 프로세스
웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다. - GPU 프로세스
GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다.
IPC
멀티프로세스는 IPC(Inter Process Communication)가 가능하다.
IPC란 프로세서끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다.
IPC 종류에 대해 알아볼텐데 이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.
- 공유 메모리
공유 메모리는 여러 프로세스가 동일한 메모리 블록에 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록
공유 메모리를 생성해서 통신하는 것을 이야기한다.
메모리 자체를 공유하기에 불필요한 복사의 오버헤드가 발생하지 않고 가장 빠르며
메모리 영역을 프로세스가 공유해야 하기에 동기화가 필요하다.
하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 메모리인 RAM을 말한다. - 파일
파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말하고
이를 기반으로 프로세스 통신한다. - 소켓
동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미한다.
TCP 와 UDP를 생각하면 된다. - 익명 파이프
익명 파이프는 프로세스간의 FIFO(First In First Out)방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 통해 데이터를 주고받는다.
단방향 방식으로 읽기 전용, 쓰기 전용으로 만들어 사용한다.
하지만, 부모와 자식 프로세스 사이에서만 사용가능하다. - 명명된 파이프
명명된 파이프는 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프를 말한다.
다른 네트워크의 프로세스와도 통신이 가능하다.
보통 파이프 서버와 클라이언트를 연결하기 위해 파이프 인스턴스를 한개 또는 여러개를 기반으로 통신하다. - 메시지 큐
메시지 큐는 메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다.
다른 IPC 방식에 비하여 사용 방법이 매우 직관적이다.
스레드와 멀티스레딩
스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다.
프로세스는 여러개의 스레드를 가질 수 있다.
코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역을 각각 생성하는 프로세스와는 달리
스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유한다.
멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며
스레드끼리 자원을 공유하기에 효율성이 높다.
예를 들어 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 중일 수 있기 때문에 중단되지 않는 빠른 처리가 가능하다.
또한 동시성에도 큰 장점이 있다.
다만, 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다.
공유 자원과 임계 영역
공유 자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수를 이야기한다.
이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다.
임계 영역은 둘 이상의 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근할 떄 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.
임계 영역을 해결하기 위한 방법으로는 크게 3가지가 있는데
뮤텍스, 세마포어, 모니터가 있고
위 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족한다.
상호 배제란 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
한정 대기란 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못해선 안된다.
융통성이란 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해선 안된다.
- 뮤텍스
뮤텍스는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock(), unlock() 하는 방식입니다.
공유 자원이 사용 중일땐 lock(), 사용이 끝나면 unlock() 합니다. - 세마포어
세마포어는 일반화된 뮤텍스이다.
간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait() 및 signal()로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.
먼저 들어온 프로세스나 스레드가 세마포어의 값을 수정할 때 다른 프로세스는 세마포어 값을 수정할 수 없다.
- 바이너리 세마포어
바이너리 세마포어는 0과 1 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다.
구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고도 볼 수 있지만 엄밀히 말하면
뮤텍스는 잠금 메커니즘이고 바이너리 세마포어는 신호 메커니즘이다. - 카운팅 세마포어
카운팅 세마포어는 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이며, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용된다.
- 바이너리 세마포어
- 모니터
모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록
공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대한 인터페이스만 제공한다.
모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며, 세마포어의 상호 배제는 명시적으로 구현해주어야 하는 반면
모니터의 상호 배제는 자동으로 이루어진다.
교착 상태
교착 상태(deadlock)은 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 이야기한다.
예를 들어 프로세스 A 와 B 가 각각 서로의 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 상태이다. - 비선점
다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가지고 올 수 없다. - 환형 대기
프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는
즉, 서로가 서로의 자원을 요구하는 상태이다.
교착 상태 해결 방법
- 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
- 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스 당 요청할 자원들의 최대치를 통해
자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘' 을 사용한다. - 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 하나씩 지운다.
- 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 훨씬 커서 교착 상태가 발생하다면
사용자가 직접 작업을 종료한다.
ex) 프로그램 '응답없음' 시 사용자가강제 종료한다.
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