프로세스와 스레드

도서 쉽게 배우는 운영체제와 강의 운영체제-반효경 를 보고 정리한 글입니다.

📌 프로그램과 프로세스

프로그램은 저장장치에 저장되어있는 정적인 상태이다.

프로세스는 실행을 위해 프로그램이 메모리에 올라온 동적인 상태이다.

📌 프로세스의 5 가지 상태

프로세스를 일괄 작업으로 처리하면, 메모리에 하나의 프로세스만 올려놓고 사용하면 되지만 다른 프로세스는 하나의 프로세스가 종료될때까지 무한정 대기해야한다.

따라서, 시분할 작업 방식을 사용한다.

여러 프로세스에 CPU를 사용할 수 있는 시간을 분배하는 것이다.

프로세스가 바뀔때마다 문맥교환이라는 비용이 발생하지만, 일괄 작업 시 생기는 CPU의 낭비를 방지할 수 있다.

1. 생성 상태

프로세스가 메모리에 올라와 실행준비를 완료한 상태이다.

프로세스를 처리하기 위한 PCB를 생성한다.

PCB(Process Control Block : 프로세스 제어 블록) : 프로세스를 처리하는데 필요한 다양한 정보가 들어있다.

프로세스가 종료되면 프로세스는 메모리에서 삭제되고 PCB도 폐기된다.

2. 준비 상태

PCB를 생성한 프로세스가 CPU를 얻을 때 까지 기다리는 상태이다.

CPU가 하나라면 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있기 때문에 실행 순서가 될 때까지 기다려야한다.

CPU 스케쥴러가 dispatch(PID)를 실행하면, PID에 해당하는 프로세스가 준비 상태에서 실행상태로 바뀌어 작업이 이루어진다.

3. 실행 상태

준비 상태에 있던 프로세스 중 하나가 작업을 수행하는 상태로, 일정 시간 동안 CPU를 사용할 권리를 갖는다.

주어진 시간을 다 사용했다면, 준비 상태로 다시 돌아와 차례를 기다린다. (시분할 방식)

시간을 다 사용하면 timeout(PID)가 실행되어 실행 상태에서 준비 상태로 옮긴다.

실행 상태에 있는 프로세스가 입출력을 요청하면

CPU는 입출력 관리자에게 입출력을 요청하고 block(PID)를 실행하여 대기 상태로 옮긴다.

작업이 완료된 경우에는 exit(PID)가 실행되어 프로세스가 종료되고 관련 PCB도 폐기된다.

4. 대기 상태

입출력을 요구했던 프로세스가 입출력이 완료될 때까지 기다리는 상태이다.

입출력 관리자는 입출력이 완료되면 CPU에게 인터럽트를 보내 완료됐음을 알린다.

대기 상태에 있던 프로세스는 wakeUp(PID)로 준비 상태로 이동해 CPU를 할당받기 위해 차례를 기다리게 된다.

5. 완료 상태

실행 상태의 프로세스가 주어진 시간 동안 작업을 마치면 완료 상태가 되어 메모리에서 프로세스를 삭제하고 PCB를 폐기한다.

📌 문맥 교환

문맥 교환은 CPU를 차지하던 프로세스가 나가고 새로운 프로세스를 받아들이는 작업을 말한다.

실행 상태에서 빠져나가는 PCB를 정리하고 실행 상태로 들어오는 PCB를 세팅하는 과정이다.

실행 상태에 있던 프로세스의 작업 진행 상황을 PCB에 저장하고 들어오는 프로세스의 새로운 PCB를 세팅하는 과정에서 비용이 발생하게 된다.

운영체제의 도움이 필요해서 System call 을 하거나 외부에서 인터럽트가 들어와서,

커널모드로 되었다가 다시 사용하던 프로세스에 CPU로 돌아오는 경우는 문맥교환이라고 할 수 없다.

하지만, 이유 불문하고 다른 프로세스로 변경되는 경우는 문맥교환이 일어난 것으로 볼 수 있다.

📌 프로세스의 생성

프로세스를 새로 생성하는 방법 뿐만 아니라 복사하는 방법도 있다.

fork()

fork() 시스템 호출은 실행 중인 프로세스로 부터 새로운 프로세스를 복사하는 함수이다.

💡 프로세스를 복사할 때 기존의 프로세스는 부모 프로세스가 되고 새로 생긴 프로세스는 자식 프로세스가 된다.

그리고 두 프로세스는 부모-자식 관계로 연결된다.

위 그림 처럼, 자식 프로세스의 PPID(부모 프로세스의 구분자)에 부모 PID가 입력되고

부모 프로세스의 CPID(자식 프로세스의 구분자)에는 자식 PID가 입력된다.

💡 fork() 를 활용해 프로세스를 생성하면 하드디스크에 접근하지 않기 때문에 생성 속도가 빠르고

자식 프로세스의 자원이 변경이 일어나기 전(Copy-on-write)까지 부모 프로세스가 사용하던 자원을 상속받아 공유하여 사용할 수 있으며

자식 프로세스가 종료될때 자원 회수를 부모 프로세스에게 맡길 수 있어 효율적이다.

왼쪽 코드가 부모 프로세스이고 오른쪽 코드가 부모 프로세스의 fork() 함수로 만들어진 자식 프로세스라고 할 때,

자식 프로세스는 fork() 이후의 로직만 실행된다.

그 이유는, 부모 프로세스의 fork() 작업으로 복사가 되고 부모 프로세스의 PC 레지스터는 fork() 까지 수행했음이 기록된 상태로 같이 복제가 되기 때문에

자식 프로세스 역시, 코드의 처음 부분부터 실행되는 것이 아니라 fork() 문 이후 부터 실행되게 된다.

exec()

exec() 시스템 호출은 기존의 프로세스를 새로운 프로세스로 전환하는 함수이다.

이미 만들어진 PCB, 메모리 영역, 부모-자식 관계를 사용할 수 있어 편리하고 새로운 코드 영역만 가져오면 되기 때문에 효율적이다.

위 그림처럼, PID, PPID, CPID 를 제외하고 새로운 프로세스와 관련된 데이터로 변경된다.

exit() 와 wait()

exit() 시스템 호출은 프로세스 종료 시 사용하는 시스템 호출이고

wait() 시스템 호출은 자식 프로세스가 종료될때까지 대기하는 시스템 호출이다.

💡 부모 프로세스가 먼저 종료되면 자식 프로세스가 종료되었는지 체크할 수 있는 대상이 사라지기 때문에

비정상적으로 종료되지 않은 자식 프로세스가 남아있지 않도록 하는 역할을 할 수 있어 자원 낭비를 막을 수 있.

📌 프로세스의 구조와 스레드

프로세스는 크게 코드 영역, 데이터 영역, 스택 영역으로 나누어진다.

코드 영역 : 프로그램의 본문이 기술된 곳
데이터 영역 : 코드가 실행되면서 사용하는 변수나 파일 등의 각종 데이터를 모아놓은 곳
스택 영역 : 프로세스를 실행하기 위해 부수적으로 필요한 데이터를 모아놓은 곳

스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 단위이다.

즉, 하나의 프로세스에는 여러개의 스레드가 존재한다.

각 스레드는 작업을 수행하기 위한 Stack 영역을 갖고 코드, 데이터, 힙 영역은 공유한다.

📌 멀티 프로세스와 멀티 스레드

멀티 프로세스

멀티 프로세스는 단어 그대로, 여러개의 프로세스를 사용해 작업을 병렬처리 하는 것이다.

💡 멀티 프로세스는 서로 독립적인 메모리 공간을 갖기 때문에, 문제가 생겨도 서로에게 영향을 주지 않는다.

다만, 🚨 서로의 메모리 영역에 직접 접근할 수 없어 정보 주고 받아야 하는 경우 IPC 통신을 사용해야하는데 비효율적이고 복잡하다.

그리고 CPU 자원을 사용하는 프로세스를 교체하는 문맥 교환 과정이 빈번하게 일어나 성능 저하가 발생할 수 있다.

멀티 스레드

프로세스가 작업을 처리하는데 사용하는 작업 단위를 스레드라고 한다.

이러한 스레드가 여러 개 있다는 의미이다.

여러 개의 스레드가 동시에 작업을 처리할 수 있기 때문에 단일 스레드보다 효율적으로 작업을 처리할 수 있다.

그리고 프로세스 내의 Code, Data, Heap 메모리를 공유하기 때문에

변화가 이루어지는 레지스터, 스택 등의 영역만 추가하면 되므로 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.

스레드 간 효율적으로 통신할 수 있고 문맥 교환이 프로세스간 문맥 교환보다 빨라 작업 처리 시간을 단축시킬 수 있다.

다만, 🚨 한 스레드에서 발생한 문제가 다른 스레드에 영향을 줄 수 있고, 공유 자원의 동기화 작업 때문에 병목 현상이나 데드락이 발생할 수 있다.

사용자 스레드와 커널 스레드

커널 스레드는 커널이 직접 생성하고 관리하는 스레드이다.

사용자 스레드는 라이브러리에 의해 구현된 멀티 스레드 방식이고 커널이 하는 일을 라이브러리가 대신 처리한다.

따라서, 커널 입장에서 사용자 스레드는 하나의 스레드로 동작하는 것으로 보인다.

스레드간 문맥 교환 과정이 없어 속도가 빠르지만, 커널 입장에서 이 프로세스는 단일 스레드처럼 보이기 때문에

멀티 스레드를 지원하는 커널이어도, 스레드 간 작업을 분배할 수 없다.