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프로세스, 스레드, PCB, IPC

  • os

프로세스와 스레드의 차이

프로세스

  • 컴퓨터의 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램
  • task와 같은 의미로 쓰인다.

스레드

  • 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.

프로세스와 스레드의 차이

  • 구성 : 스택 – 힙 – 데이터 – 코드
  1. 프로세스는 스택, 힙 메모리, 데이터, 코드 영역을 기반으로 독립적으로 작업하는 반면
    스레드는 프로세스 내의 스택 메모리를 제외한 다른 메모리 영역을 프로세스 내의 다른 스레드들과 공유하기 때문에 메모리적 이점이 있다.
  2. 프로세스는 다른 프로세스와 격리되어있기 때문에 서로 통신을 하기 위해서는 IPC를 사용해야 하지만
    스레드는 다른 스레드와 서로 격리되어있지 않으므로 그냥 통신할 수 있어서 프로세스보다 더 빠르다.
    1. IPC (Inter-Process Communication ) : 프로세스들 사이에 서로 데이터를 주고받는 행위, 방법, 경로
  3. 프로세스는 한 프로세스에 문제가 생겨도 다른 프로세스에 영향을 끼치지 않지만
    스레드는 격리가 되어있지 않아 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있다.
  4. 프로세스는 생성과 종료에 더 많은 시간이 들며
    스레드는 더 적은 시간이 든다.

프로그램의 컴파일 과정

  • 프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역되어 실행될 수 있는 파일이 된 것을 의미한다. (PCLA)
  1. 전처리
    1. 소스코드의 주석제거, #includ 등 헤더파일을 병합하고 매크로를 치환한다.
  2. 컴파일러
    1. 오류처리, 코드최적화 작업을 하여 어셈블리어로 변환한다.
  3. 어셈블러
    1. 어셈블리어는 목적코드(object code)로 변환된다.
    2. 이 때 확장자는 운영체제마다 다른데 리눅스에서는 .o이다.
    3. ex) 홍길동.o이라는 파일을 만들면 홍길동.c라는 파일이 만들어지게 된다.
  4. 링커
    1. 프로그램 내 있는 라이브러리 함수 등과 결합해 실행파일이 만들어진다.
    2. 이는 .exe, .out이라는 확장자를 갖게 된다.

프로세스의 메모리 구조

  • 운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.
  • 위에서부터 스택(stack), 힙(heap), 데이터 영역(Data segment, BSS segment), 코드영역(code segment)로 나눠진다.
  • 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.
  • 스택
    • 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정된다. 그러나 함수가 함수를 호출 하는 등에 따라 런타임 시에도 크기가 변경된다. (동적인 특징)
  • 힙
    • 힙은 동적할당을 할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정된다. (동적인 특징)
  • 데이터영역
    • BSS 영역과 Data 영역으로 나뉘고 정적할당에 관한 부분을 담당한다. (정적인 특징)
  • 코드영역
    • 소스코드 들어간다. (정적인 특징)

정적 할당

  • 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말한다.
  • BSS segment와 Data segment, code / text segment 로 나뉘어서 저장된다.
  • BSS segment는 전역변수, static, const로 선언되어있는 변수 중 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당된다.
  • Data segment는 전역변수, static, const로 선언되어있는 변수 중 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당된다.
  • code / text segment는 프로그램의 코드가 들어간다.

동적 할당

  • 런타임단계에서 메모리를 할당받는 것이며 Stack과 Heap으로 나눠진다.
  • Stack
    • 지역변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역
    • 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 stack에 계속해서 저장된다.
    • 참고로, 재귀함수가 호출된다고 했을 때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않는다.
  • Heap
    • 동적으로 할당되는 변수들을 담는다.
    • malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있으며 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 Heap영역을 사용한다.
    • ex) vector는 내부적으로 heap영역을 사용한다.

PCB와 컨텍스트 스위칭

PCB

  • Process Control Block
  • 운영체제에서 관리하는 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터 블록
    • 메타데이터
      • 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터 (데이터를 위한 작은 데이터)
      • 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터
  • 커널 스택에 저장 (유저모드가 아닌 커널 모드일 때에만 접근 가능)
  • 각 프로세스가 생성될 때마다 고유의 PCB가 생성되고 프로세스가 종료되면 PCB는 제거된다.

PCB의 구조

  • 프로세스 상태 : 대기중, 실행중 등 프로세스 의 상태
  • 프로세스 번호(PID) : 각 프로세스의 고유 식별 번호(프로세스 ID)
  • 프로그램 카운터(PC) : 이 프로세스에 대해 실행될 다음 명령의 주소에 대한 포인터
  • 레지스터 : 레지스터 관련 정보
  • 메모리 제한 : 프로세스의 메모리 관련정보
  • 열린 파일 정보 : 프로세스를 위해 열린 파일 목록들

컨텍스트 스위칭

  • PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 다시 복원시키는 과정 (스레드 또한 가능)
  • 프로세스가 종료 or 인터럽트에 의해 발생된다.

비용

  1. 유후시간의 발생
    1. 컨텍스트 스위칭을 할 때마다 유후시간이 생겨서 CPU의 가용성이 떨어지는 비용이 발생한다.
  2. 캐시미스
    1. 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시 클리어 과정이 무조건 일어나게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

  • 스택메모리를 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 비요잉 더 적고 시간도 더 적게 걸린다는 장점이 있다.

프로세스의 상태

생성 상태

  • create or new
  • 프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 프로세스가 생성된 상태
  • 이때 PCB가 할당된다.
  • fork()
    • 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
    • 주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다.
  • exec( )
    • 새롭게 프로세스를 생성하는 함수

대기 상태

  • ready
  • 처음 프로세스가 생성된 이후 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 준비 큐 (준비 순서열)에 들어가서 대기중인 상태를 말한다.
  • 이는 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.

대기 중단 상태

  • ready suspended
  • 준비큐가 꽉찬 상태 즉, 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

실행 상태

  • running
  • CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태 (CPU burst)

중단 상태

  • blocked
  • 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
  • ex) 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 실행하고 있던 프로세스가 잠깐 멈춘 듯할 때
    • 프린트 인쇄에 관한 I/O요청으로 인해 인터럽트가 발생되어 현재 실행하고 있던 프로세스가 중단 상태로 잠시 변경된 것

일시 중단 상태

  • blocked suspended
  • 대기 중단과 유사하다.
  • 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

종료상태

  • terminated or exit
  • 프로세스 실행이 완료되어 해당 프로세스에 대한 자원을 반납하며 PCB가 삭제되는 상태
  • 종료는 자연스럽게 종료되는 것도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제적으로 종료시켜 비자발적 종료(abort)로 종료되는 것도 있다.
  • 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료시킬 때 발생한다.

멀티 프로세싱과 멀티 스레딩

  • 여러 개의 스레드 또는 프로세스를 만든 상태를 멀티 스레드, 멀티 프로세스라고 한다.
  • 이를 기반으로 작업을 하는 것을 멀티 스레딩, 멀티 프로세싱이라고 한다.

멀티 프로세싱

  • 여러 개의 프로세스, 즉 멀티 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
  • 특정 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스에 영향을 미치지 않으며 격리성과 신뢰성이 높은 강점이 있다.

멀티 스레딩

  • 스레드의 경우에는 프로세스와 달리, 스택을 제외한 메모리(힙, 데이터, 코드)를 공유한다.
  • 프로세스 내 작업을 멀티 스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하고 프로세스보다는 가볍기 때문에 효율성이 높은 장점이 있다.
  • 그러나 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.

IPC

  • Inter-Process Communication
  • 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유데이터를 관리하는 메커니즘
  • 종류 : 공유메모리, 파일, 소켓, 파이프, 메세지 큐

공유메모리

  • 여러 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 메모리를 공유하는 것
  • IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고 받는게 아니라 메모리 자체를 공유
  • 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르다.
  • 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.
  • IPC 중에서 가장 빠른 통신 방법이다.

파일

  • 디스크에 저장된 데이터를 기반으로 통신하는 것을 의미한다.
  • 요즘 IPC로는 잘 사용하지 않는 방식 중 하나

소켓

  • 네트워크 인터페이스(TCP, UDP, HTTP 등)를 기반으로 통신하는 것
  • ex) 네이버

파이프

  • 익명 파이프
    • anonymous pipe, unnamed pipe
    • 프로세스 사이에 FIFO 기반의 통신채널을 만들어 통신하는 것
    • 파이프 하나 당 단방향 통신이기 때문에 만약 양방향 통신을 하려면 2개의 익명 파이프를 만들어야 한다.
    • 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으므로 다른 네트워크 상에서는 사용이 불가능하다.
    • 파이프의 데이터 용량은 제한되어 있으며 쓰기, 읽기 프로세스보다 더 빠르게 데이터를 쓸 수 없다.
      • 들어오는 양(읽기)과 나가는 양(쓰기)이 같다.
  • 명명 파이프
    • named pipe
    • 익명 파이프의 확장된 개념이며 부모, 자식 뿐만 아니라 다른 네트워크 상에서도 통신할 수 있는 파이프
    • 보통 서버, 클라이언트용 파이프를 구분해서 동작한다.

메세지 큐

  • 메세지를 큐(queue) 자료구조 형태로 관리하는 버퍼를 만들어 통신하는 것
  1. 프로세스가 메세지를 보내거나 받기 전에 큐를 초기화한다.
  2. 보내는 프로세스(sender)의 메세지는 큐에 복사되어 받는 프로세스(receiver)에 전달된다.