[운영체제] 프로세스와 스레드

프로세스 : 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램, CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업

스레드 : 프로세스 내 작업 흐름 

 

둘의 차이는 맨 아래 정리할 예정

 

3.1 프로세스
    3.1.1 프로세스와 기타 개념
    3.1.2 멀티 프로세싱
3.2 스레드
    3.2.1 스레드와 기타 개념
   
3.3 [번외] 프로세스와 스레드의 차이 

3.1 프로세스
    3.1.1 프로세스와 기타 개념
    3.1.2 멀티 프로세싱

3.1.1 프로세스 

프로세스와 컴파일 과정 

프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화 된 것이다. 

ex) 프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)와 같은 실행파일이며, 두 번 클릭 시 구글 크롬 프로세스로 변환됨

전처리 : 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합해 매크로를 치환

컴파일러 : 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

어셈블러 : 어셈블리어는 목적 코드로 변환, 이 때 확장자는 리눅스에서 .o이다. 

링커 : 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합해 실행 파일 생성. .exe 또는 .out

 

정적 라이브러리와 동적 라이브러리

라이브러리는 위의 두가지로 나뉜다. 

정적 라이브러리 : 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행파일에 넣는다. 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮지만 코드 중복 등 메모리 효율성은 떨어진다.

=> 컴파일 타임에 연결됨

동적 라이브러리(DLL) :  프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조해 사용하는 방법. 메모리 효율성은 장점이지만 외부 의존도가 높다. 

=> 런타임에 연결됨.

 

프로세스의 상태

생성 상태 : 프로세스가 생성된 상태로 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성. 이 때, PCB가 할당된다. 

fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 복사해 새로운 자식 프로세스 생성. 주소 공간만 복사할 뿐 부모 프로세스의 비동기 작업등을 상속하진 않는다. -> 멀티 프로세싱, 별개의 메모리 공간을 생성한다.

exec() : 새롭게 프로세스 생성

 

대기 상태 : 메모리 공간이 충분하면 메모리 할당, 아니면 대기. cpu 소유권이 넘어오길 기다린다.

대기 중단 상태 : 메모리 부족으로 일시 중단

실행 상태 : CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행중인 상태. == CPU burst가 일어난 상태

중단 상태 : 어떤 이벤트 발생 후 기다리며 프로세스가 차단된 상태. I/O 디바이스 인터럽트로 자주 발생한다. 

일시 중단 상태: 대기 중단과 유사한데 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려 했지만 메모리 부족으로 일시 중단

종료 상태 : 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태.

 

프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다. 

위에서 부터 stack, heap, data, text 영역이다. 스택은 위 주소부터, 힙은 아래 주소부터 할당된다.

 

스택과 힙

스택과 힙은 동적 할당( 런타임 단계에서 메모리 할당 ) 이 된다. 

스택	힙
지역 변수, 매개 변수, 실행되는 함수에 의해 메모리 할당	동적으로 할당되는 변수들
함수가 호출될 때마다 호출될 때의 호나경 등 특정 정보 스택에 계속 저장 재귀 함수	c언어에서 malloc, free 등 vector 자료구조의 경우 동적으로 관리되어 내부적으로 힙 영역을 사용한다.

데이터 영역과 코드 영역 

정적 할당 ( 컴파일 단계에서 메모리 할당 ) 이 되는 영역이다. 

데이터 영역은 BSS segment와 Data segment, code/text segment로 나뉘어 저장

BSS segment : 전역 변수 or static, const로 선언, 0으로 초기화 또는 초기화 되지 않은 값들 할당. 

Data segment : 전역 변수 또는 static, const 선언, 0이 아닌 값으로 초기화된 변수

code segment : 코드가 들어간다.

 

PCB ( Process Control Block) 

운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터', 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB 생성

=> 앞에서 생성 단계에서 만들어 진다고 했음.

프로그램 실행 시, 메모리가 할당되고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택 가장 앞부분에서 관리된다.

 

* 메타데이터 : 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터. 대량의 정보 가운데 효율적 정보 탐색을 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 부여되는 데이터

 

PCB의 구조

1) 프로세스 스케줄링 상태,

2) 프로세스 ID,

3) 프로세스 권한,

4) 프로그램 카운터,

5) CPU 레지스터,

6) CPU 스케줄링 정보,

7) 계정 정보,

8) I/O 상태 정보

 

컨텍스트 스위칭 

PCB를 교환하는 과정. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 

컴퓨터가 많은 프로그램을 동시 실행하는 것 처럼 보이지만 실제 구동되는 프로세스는 한 시점에 단 한개다...

동시에 구동되는 것 처럼 보이는 것은 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문.

 

++ 참고로 현대 컴퓨터는 멀티 코어 cpu라 여러개 프로그램을 실행한다.

한 개의 프로세스 P0가 실행하다 멈추고, P0의 PCB를 저장한 후 다시 프로세스 P1을 로드해 실행한다. 그리고 다시 P1과 P0의 컨텍스트 스위칭을 반복한다. 

컨텍스트 스위칭 발생 시 유휴 시간(idle time)이 발생한다. 이뿐만 아니라 컨텍스트 스위칭에는 캐시미스라는 비용이 발생한다.

 

비용 - 캐시미스 : 컨텍스트 스위칭 발생 시 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시 클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시 미스가 발생한다.

 

스레드에서의 컨텍스트 스위칭 :  스레드도 컨텍스트 스위칭이 발생하는데, 스레드는 스택을 제외한 메모리 영역을 공유 하기 때문에 비용이 적고 시간도 더 적다. 

 

 

3.1.2 멀티 프로세싱

멀티 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것. 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해 처리할 수 있어 신뢰성이 높다.

 

웹 브라우저 : 멀티 프로세스 구조를 가짐

1) 브라우저 프로세스 : 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등 담당. 네트 워크 요청, 파일 접근 권한 담당

2) 렌더러 프로세스 : 웹 사이트가 '보이는' 부분의 모든 것을 제어한다.

3) 플러그인 프로세스 : 웹사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다.

4) GPU 프로세스 : GPU를 이용해 화면을 그린다.

 

IPC ( Inter Process Communication )

프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘. 

공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐 등이 있다. 

ex) 클라이언트 - 서버 : 클라이언트가 데이터를 요청하고 서버가 클라이언트의 요청에 응답하는 것.

 

1) 공유 메모리

여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해 놓는 것.

출처 https://doitnow-man.tistory.com/68

각 프로세스는 서로의 메모리에 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통하면 여러 프로세스가 하나의 메모리에 접근 가능

=> 메모리 자체의 공유이기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠름.

=> 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다. 

 

++ 하드웨어 관점에서 CPU가 접근할 수 잇는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM이 공유 메모리다.

 

2) 파일

디스크에 저장된 데이터, 파일 서버에서 제공한 데이터. 

 

3) 소켓

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터. TCP/ UDP

++ 내 옆자리 전공자의 말씀 : 전송하기 위해 데이터를 담는 바구니다! 

 

4) 익명 파이프

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

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

 

5) 명명된 파이프

파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프.

클라이언트/서버 통신을 위한 별도 파이프 제공, 여러 파이프를 동시 사용 가능. 컴퓨터의 프로세스 끼리 또는 다른 네트워크 상 컴퓨터와도 통신 가능.

보통 서버용 파이프와 클라이언트용 파이프로 구분해 작동하며 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신한다.

6) 메시지 큐

메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것. 이는 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근 가능하다. 

마이크로 서비스- Msg를 프로세스로 보셈

공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이 때 대안으로 메시지 큐 사용. 

 

3.2 스레드
    3.2.1 스레드와 기타 개념
    3.2.2 멀티 스레딩

 

 

3.2.1 스레드

프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.

프로세스와 동일하게 스택, 힙, 데이터, 코드의 메모리 영역을 가지지만, 스택을 제외한 메모리 영역을 공유한다.

 

3.2.2 멀티스레딩

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 처리하는 기법이다. 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다. 

웹 요청을 처리할 때 새 프로세스 생성 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며, 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행상태일 수 있어 빠른 처리가 가능하다. 동시성에도 큰 장점이 있다.

스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점

웹 브라우저의 렌더러 프로세스를 예로 들 수 있다.

 

*동시성 : 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것

 

3.3 [ 번외 ] 프로세스 vs 스레드

	프로세스	스레드
정의	실행 중인 프로그램, CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업	프로세스 내 작업의 흐름
메모리 영역	스택, 힙, 데이터, 코드	스택, 힙, 데이터, 코드
차이점	각 프로세스가 독립적인 메모리 영역을 가진다.	각 스레드는 독립적인 스택 영역을 가지지만 나머지 영역은 공유한다.

멀티 프로세스	멀티 스레드
각 프로세스는 독립적이다	스레드 끼리는 긴밀히 연결된다.
IPC를 이용한 통신	공유된 자원으로 통신 비용 절감
자원 소모적, 개별 메모리 차지	공유된 자원 -> 메모리 효율 증가
컨텍스트 스위칭	컨텍스트 스위칭 비용 적음
동기화 작업이 없다.	공유 자원 관리가 필요하다.

 

 

 

 

[정적, 동적 라이브러리] https://ledpear.tistory.com/60

라이브러리의 정의와 종류 (정적 / 동적)

https://www.youtube.com/watch?v=1grtWKqTn50&t=639s