운영체제 - 프로세스와 스레드

프로세스(Process)

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프로세스(Process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다.

프로그램	프로세스
어떤 작업을 하기 위해 실행할 수 있는 파일	실행되어 작업중인 컴퓨터 프로그램
파일이 저장 장치에 있지만 메모리에 올라가 있지 않은 정적인 상태	메모리에 적재되고 CPU 자원을 할당받아서 프로그램이 실행되고 있는 상태
컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일	실행 파일을 실행하여 작업 중인 프로그램

 

프로세스와 컴파일 과정

앞서 설명했던 것과 같이 프로세스는 프로그램을 실행한 것인데, 예를 들어 프로그램은 구글 크롬 프로그램과 같은 실행 파일이며, 이를 두 번 클릭하면 구글 크롬 프로세스가 시작되는 것이다.

프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역된 파일인데 그러면 컴파일은 어떻게 이뤄지는지 과정을 간단하게 살펴보자.

 

컴파일 과정

• 전처리

소스 코드의 주석을 제거하고 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.

• 컴파일러

컴파일러는 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환한다.

• 어셈블러

어셈블러는 어셈블리어를 목적 코드로 변환된다.

• 링커

프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다. 실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out이라는 확장자를 갖는다.

 

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

정적 라이브러리는 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식이며 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮은 장점이 있지만, 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

동적 라이브러리는 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 빙식이며 메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점이 있다.

 

프로세스의 상태

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프로세스의 상태는 여러 가지 상태 값을 가진다.

 

생성 상태(New)

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

 

대기 상태(Ready)

메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.

 

대기 중단 상태(Suspended Ready)

메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

 

실행 상태(Running)

CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스터럭션을 수행 중인 상태를 의미한다. 이를 CPU burst가 일어났다고 표현한다.

 

중단 상태(Blocked)

어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태이다.

 

일시 중단 상태(Suspended Blocked)

대기 중단과 유사하다. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.

 

종료 상태(Exit, Terminated)

메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태이다.

부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료도 있다.

 

 

프로세스의 메모리 구조

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운영체제가 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.

프로세스 메모리 구조

 

프로세스의 메모리 구조를 하나씩 살펴보면 아래와 같다.

 

스택(Stack)

스택에는 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 동적인 특징을 갖는다.

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 놓는다.

 

힙(Heap)

동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정된다. 힙은 동적인 특징을 갖기 때문에 벡터 같은 동적 배열은 힙에 동적 할당된다.

 

데이터(Data)

전역변수, 정적변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역이다.

BSS 영역과 Data 영역으로 나눠지고, BSS 영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 Data 영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장된다.

 

텍스트(코드 영역, Text)

프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역이다. 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 갖는다.

 

PCB(Process Control Block)

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프로세스 제어 블록이라고도 불리는 PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말한다. 

프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성하게 된다. 그 이유는 각각의 프로세스는 프로세스 식별번호(PID)를 할당하게 되는데 운영체제는 다중 프로그래밍을 지원하므로 모든 프로세스를 추적해야 된다. 이 때 PCB를 사용하여 프로세스의 실행 상태를 추적한다.

프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

메타데이터가 저장되어 있기 때문에 프로세스가 한 상태에서 다른 상태로 전환될 경우 운영 체제는 프로세스의 PCB에 있는 정보를 업데이트해야 한다.

 

PCB의 구조

프로세스 스케줄링 상태: 준비, 일시중단 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후 또는 이후 경과된 시간과 같은 기타 스케줄링 정보
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(Context Switching)

한 프로세스의 컨텍스트를 저장하고 다른 프로세스의 컨텍스트를 로드하는 프로세스를 컨텍스트 스위칭이라고 한다. 간단히 요약하면 실행 상태에서 준비 상태로 프로세스를 로드하고 언로드 하는 것과 같다.

컨텍스트 스위칭은 PCB를 교환하는 과정을 말하는데, 해당 컨텍스트 스위칭이 발생하는 시점으로는

- 우선 순위가 높은 프로세스가 준비 상태가 될 때

- 인터럽트가 발생할 때

- 사용자 및 커널 모드로 전환될 때

- 선점형 CPU 스케줄링 알고리즘을 사용할 때

싱글코어 CPU를 기준으로 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와 컨택스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다.

컨택스트 스위칭에 드는 비용이 바로 캐시미스인데 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

 

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

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

 

멀티 프로세싱

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멀티 프로세싱은 멀티 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다. 즉, 단일 컴퓨터 시스템 내에서 둘 이상의 프로세서(CPU)를 사용하는 것을 말한다.

 

멀티 프로세싱의 장점

- 멀티 프로세싱을 사용하는 가장 큰 장점으로는 더 짧은 시간에 더 많은 작업을 수행할 수 있다는 점이다.
- 특정 프로세스의 메모리 또는 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다.

예를 들어 10개의 프로세서가 있는데 그중 1개의 프로세서에서 문제가 발생하면 작업이 중단되지 않고 나머지 9개의 프로세서가 문제가 있는 해당 프로세서의 작업을 공유할 수 있다. 따라서 전체 시스템이 중단되는 것이 아닌 속도만 느려지기 때문에 신뢰성이 높아지게 된다.

 

웹 브라우저

우리가 자주 사용하는 웹 브라우저는 멀티 프로세스 구조를 가지고 있다.

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 Comunication)

멀티 프로세스는 IPC가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다. (쉽게 말해서 프로세스 간 통신을 뜻함)

클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것도 IPC의 예이다.

IPC 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있는데 이들 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

 

IPC의 장점

- 프로세스가 서로 통신하고 리소스를 공유할 수 있도록 하여 효율성과 유연성을 향상한다.
- 여러 프로세스 간의 조정을 촉진하여 전반적인 시스템 성능을 향상한다.
- 여러 컴퓨터 또는 네트워크에 걸쳐 있을 수 있는 분산 시스템을 생성할 수 있다.
- 세마포어, 파이프, 소켓 등 다양한 동기화 및 통신 프로토콜을 구현하는 데 사용할 수 있다.

IPC의 단점

- 시스템 복잡성이 증가하여 설계, 구현 및 디버그가 더 어려워진다.
- 프로세스가 다른 프로세스에 속한 데이터에 액세스 하거나 수정할 수 있으므로 보안 취약점이 발생할 수 있다.
- 메모리 및 CPU 시간과 같은 시스템 리소스를 신중하게 관리해야 한다.

 

공유 메모리

여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것을 말한다.

각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 다른 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다.

메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르다. 하지만 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 데이터를 말한다. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.

 

소켓

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.

 

익명 파이프

프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식이다.

부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능하다.

 

명명된 파이프

파이프 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 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신할 수 있다.

 

메시지 큐

메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다.

커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다.

공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데 이때 대안으로 메시지 큐를 사용한다.

 

스레드(Thread)

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스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위를 뜻한다.

운영체제는 스레드를 생성하고 관리하며 스레드를 생성한 프로그램과 동일한 메모리와 리소스를 공유한다. 이를 통해 여러 스레드가 단일 프로그램 내에서 공동 작업하고 효율적으로 작업할 수 있다.

스레드는 하나의 프로세스 내에서 동시에 진행되는 작업 갈래, 흐름의 단위를 의미한다.

예를 들어 크롬 브라우저가 실행 되면 하나의 프로세스가 생성된 것이고 해당 브라우저에서 파일을 다운 받으면서 쇼핑이나 게임을 할 수 있다.

하나의 프로세스 안에서 여러 가지 작업들의 흐림이 동시에 진행되는 것인데 이러한 일련의 작업 흐름들을 스레드라고 하며 여러 개가 있다면 이를 멀티 스레드라고 한다.

일반적으로 하나의 프로그램에는 하나 이상의 프로세스를 갖고, 하나의 프로세스는 반드시 하나 이상의 스레드를 갖게 된다. 즉, 프로세스를 생성하면 기본적으로 main 스레드가 생성된다.

 

스레드가 필요한 이유

스레드는 병렬로 실행되기 때문에 애플리케이션 성능을 향상시킨다.

스레드는 공통 데이터를 공유할 수 있으므로 프로세스 간 통신을 사용할 필요가 없다.

프로세스와 마찬가지로 스레드에 우선순위를 할당할 수 있으며 우선순위가 가장 높은 스레드가 먼저 예약되게 된다.

 

스레드의 장점

응답성: 프로세스가 여러 스레드로 나누어져 있는 경우, 하나의 스레드가 실행을 완료하면 해당 출력이 즉시 반환될 수 있다.
빠른 컨텍스트 스위칭: 프로세스의 컨택스트 스위칭은 CPU에서 더 많은 오버헤드가 필요하게 되지만 스레드는 그에 비해서 컨택스트 스위칭 시간이 낮다.
리소스 공유: 스택과 레지스터 외에 코드, 데이터, 파일과 같은 리소스는 프로세스 내의 모든 스레드에서 공유될 수 있다.
시스템 처리량 향상: 프로세스를 여러 스레드로 나누어 각 스레드 기능을 하나의 작업으로 간주하면 단위 시간당 완료되는 작업 수가 늘어나 시스템의 처리량이 늘어난다.

 

멀티스레딩

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각 스레드는 하나의 프로세스에 속하게 되는데 멀트 스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법으로 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 더 높다.

어떤 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하면 훨씬 적은 리소스를 소비하며 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드를 실행 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다. 또한 동시성에도 큰 장점이 있다.

하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다는 단점이 있다.

 

멀티 스레딩의 장단점

장점

- 멀티 스레딩은 사용 가능한 CPU 리소스를 보다 효과적으로 활용하여 프로그램의 성능과 효율성을 향상시킬 수 있다.
- 여러 스레드를 동시에 실행하여 전체 실행 시간을 줄일 수 있다.
- 사용자 상호 작용이 포함된 애플리케이션의 응답성을 향상시킬 수 있다.
- 리소스 활용도를 높여 클라이언트의 요청을 동시에 처리할 수 있으므로 서버가 동시에 더 많은 클라이언트에 서비스를 제공할 수 있다.

단점

- 많은 스레드가 동일한 데이터에 액세스 하려고 하면 스레드 부족 상황이 발생할 가능성이 있다.
- 잠금 메커니즘을 올바르게 사용하지 않으면 데이터 액세스 문제를 확인하는 동안 데이터 불일치 및 교착 상태 같은 문제가 발생할 수 있다.
- 데이터를 표시할 때 스레드 간의 조정이 부족하면 표시 문제가 발생할 수 있다.

 

공유 자원과 임계 영역

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공유 자원

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

공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다.

 

임계 영역

공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 영역을 임계 영역이라고 한다.

임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족한다.

이 방법에 토대가 되는 것이 잠금 메커니즘이다.

 

뮤텍스(Mutex)

공유 자원을 사용하기 전에 설정하고 사용한 후에 해제하는 잠금이다.

잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없다. 또한 하나의 상태(잠금 또는 잠금 해제)만 가진다.

장점

- 한 번에 하나의 프로세스만 임계 영역에 있으므로 경쟁 조건이 발생하지 않는다.
- 데이터는 일관되게 유지되며 무결성을 유지하는 데 도움이 된다.

단점

- 임계 구역에 들어간 후 스레드가 휴면 상태이거나 우선순위가 높은 프로세스에 의해 선점되면 다른 스레드는 임계 구역에 들어갈 수 없기 때문에 기아 현상으로 이어질 수 있다.
- 뮤텍스는 리소스를 요청하거나 해제하는 프로세스에 의해서만 수정될 수 있다.
- 뮤텍스를 구현하면 대기가 많아져 CPU 주기가 낭비될 수 있다.

세마포어(Semaphore)

일반화된 뮤텍스를 뜻한다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수라고도 함) 및 signal(V 함수라고도 함)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

세마포어는 신호 메커니즘에 따라 작동하게 되는데 이 경우 스레드는 다른 스레드에 의해 신호를 받을 수 있다.

wait는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며 signal은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.

프로세스가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다.

프로세스가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.

 

바이너리 세마포어

0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다.

뮤텍스와 혼동할 수 있는데 서로 목적이 다르다. 뮤텍스는 잠금 메커니즘, 세마포어는 신호 메커니즘이라는 것을 염두에 두자.

 

카운팅 세마포어

여러 개의 값을 가질 수 없는 세마포어이며 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용된다.

 

모니터(Monitor)

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

모니터는 모니터큐를 통해 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리하게 된다.

모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면에 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

 

교착 상태(DeadLock)

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

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 가져올 수 없다.
- 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.

 

교착 상태의 해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 교착 상태 조건이 성립되지 않도록 설계한다.

교착 상태의 4가지 원인이 성립되지 않도록 설계를 하는데 이러한 방법은 비용이 매우 많이 들게 된다. 따라서 시스템 교착 상태를 없애는 것이 최우선적인 목표라면 사용한다.

2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘을 사용한다.

여기서 은행원 알고리즘이란 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘을 뜻한다. 

3. 교착 상태에 빠진 프로세스 종료한다.

교착 상태에 빠진 모든 프로세스를 종료하는 방법이 있는데 해당 방법은 상당한 비용이 발생하게 된다. 그 이유는 중단되는 프로세스가 상당한 시간 동안 작업했다면 종료할 시 없어지기 때문에 나중에 다시 작업해야 되는 경우가 생길 수 있다.

따라서 모든 프로세스를 종료하지 않고 한 번에 하나의 프로세스를 종료하는 방법이 있다. 교착 상태가 제거될 때까지 한 번에 하나의 프로세스만 중단하게 되는데 나중에 다시 작업해야되는 부분을 최소화할 수 있지만 교착 상태인지 확인해야 되는 작업이 추가되어 오버헤드가 발생하게 된다.

 

참고 자료

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- CS전공지식노트(주홍철)
- https://www.geeksforgeeks.org/operating-systems/?ref=ghm

Operating System Tutorial - GeeksforGeeks