Byung Wook Park (박병욱)

Byung Wook Park (박병욱)

[Operating System] Process & Thread


📝Program

  • 프로그램은 특정 작업을 수행하는 일련의 명령어들의 모음이다.
  • 대부분의 프로그램은 하드디스크 등의 매체에 바이너리 형식의 파일로 저장되어 있다가 사용자가 실행 시키면 메모리로 적재되어 실행된다.


📝Process

  • 프로세스는 아래와 같이 정의된다.
    • 메모리에 적재되어서 실행중인 프로그램
    • 운영체제로부터 자원을 할당 받는 작업의 단위 (자원의 예로는 CPU를 할당받는 시간, Code, Data, Stack, Heap 등이 있다.)
    • 명령들의 순차 수행, 현재 상태, 연계된 시스템 자원들의 집합 등에 특정 지어지는 활성화 단위
  • 프로세스는 독립적인 개체이며, 하나의 프로그램을 여러번 실행 시키면 여러개의 프로세스가 메모리에서 실행된다.


📌 프로세스 주소공간


Code(Text) 영역 : 컴파일 타임에 할당

  • 프로그램의 소스코드가 위치하는 영역이다.
  • 형태는 Hex 또는 binary로 기계어다.
  • CPU는 코드 영역에 위치한 명령어를 하나씩 가져와서 처리한다.


Data 영역 : 컴파일 타임에 할당

  • 전역(global) 변수와 정적(static) 변수가 위치하는 영역이다.

  • 프로그램의 시작과 동시에 할당되고 프로그램이 종료되어야 메모리에서 소멸된다.

  • 데이터 영역에는 BSS(Block Stated Symbol)라는 영역이 존재한다.

  • 초기화 되지 않거나, 초기화를 0으로 하거나, 초기화를 NULL로한 전역 변수와 정적 변수는 BSS 영역에 위치한다.

  • BSS라는 영역이 왜 존재할까? 이는 공간을 효율적으로 활용하기 위해서다.

  • 아래 코드를 보자. 배열 a의 크기는 400000 바이트다. 하지만 선언만하고 값이 들어있지 않기에 굳이 400000 바이트라는 공간을 할당할 필요가 없다. 따라서 a 배열의 크기와 이름에 대한 정보는 BSS에 올려서 공간을 효율적으로 활용한다.

  • int a[100000]; // 전역으로 선언되었다고 가정하자.


Heap 영역 : 런타임에 할당

  • 프로그래머에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당되고 해제되는 영역이다.
  • C언어의 malloc(), free() 등의 함수를 생각해보자.
  • 힙 영역은 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당된다.


Stack 영역 : 런타임에 할당

  • 지역(local) 변수와 매개 변수(parameter)가 위치하는 영역이다.
  • 함수의 호출과 동시에 할당되고 함수의 호출이 완료되면 메모리에서 소멸된다.
  • 함수가 호출되면 push 되고 함수가 종료되면 pop 되는 것이다.
  • 스택 영역은 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소의 방향으로 할당된다.


컴파일 타임은 소스코드가 컴파일이라는 과정을 통해 기계어 코드로 변환되어 실행 가능한 프로그램이 되는데 걸리는 시간이다.

런타임은 컴파일 과정을 마친 기계어 형태의 프로그램이 실행되는 시간이다. 즉, 프로그램이 동작되는 시간이다.


📌 프로세스의 문맥(Context)

  • 프로세스의 문맥이란 프로세스의 수행 상태에 대한 정보를 의미한다.
  • 프로세스의 문맥은 어디에 쓰일까?
  • 여러개의 프로세스가 번갈아가며 수행되는 시분할 시스템에서 각 프로세스는 짧은 시간동안 CPU를 사용하고 다른 프로세스에게 CPU를 넘겨주는 식으로 실행된다.
  • 이때 CPU를 다른 프로세스로부터 넘겨 받아, 이전에 수행했던 작업을 이어서 수행하기 위해서 필요한 정보가 프로세스의 문맥이다.
  • 프로세스의 문맥은 아래와 같이 3종류가 있다.
    • 하드웨어 문맥 : CPU의 수행 상태를 나타내는 것으로 프로그램 카운터값과 각종 레지스터에 저장하고 있는 값
    • 주소 공간 : Code, Data, Stack, Heap으로 구성되는 프로세스만의 독자적인 주소 공간
    • 커널상의 문맥 : 프로그램이 실행되어 프로세스가 되면 운영체제는 프로세스를 관리하기 위한 자료구조를 유지한다. 커널 스택과 PCB가 이에 해당한다.
  • 문맥 교환(context switch)란 다음에 실행시킬 프로세스를 변경하기 위해 원래 수행 중이던 프로세스의 문맥을 저장하고 새로운 프로세스의 문맥을 세팅하는 과정을 뜻한다.


📌 프로세스의 상태

  • New : 프로세스가 시작되어 그 프로세스를 위한 각종 자료구조는 생성되었지만 아직 메모리 획득을 승인받지 못한 상태
  • Running : 프로세스가 CPU를 보유하고 기계어 명령을 실행하고 있는 상태
  • Ready : CPU를 보유하면 당장 명령을 실행할 수 있지만 CPU를 할당 받지 못한 프로세스의 상태
  • Bloked(wait, sleep) : CPU를 할당 받더라도 당장 명령을 실행할 수 없는 프로세스의 상태 (예를들어, 프로세스가 요청한 입출력 작업이 진행중이어서 대기해야하는 경우)
  • Terminated : 프로세스가 종료되었으나 운영체제가 그 프로세스와 관련된 자료구조를 완전히 정리하지 못한 상태
  • 준비 상태에 있는 프로세스 들중 하나가 CPU를 할당 받는 과정을 CPU 디스패치라고 한다.


📌 프로세스 제어블록(Process Control Block, PCB)

  • 프로세스 제어블록이란 운영체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 정보를 담는 커널 내의 자료구조이다.
  • PCB는 다음과 같은 요소로 구성되어 있다.
    • 프로세스의 상태
    • 프로그램 카운터의 값
    • CPU 레지스터의 값
    • CPU 스케줄링 정보
    • 메모리 관리 정보
    • 자원 사용 정보
    • 입출력 상태 정보


📌 문맥 교환(Context Switch)

  • 문맥교환이란 하나의 사용자 프로세스로부터 다른 사용자 프로세스로 CPU 제어권이 이양되는 과정을 뜻한다.
  • 문맥교환중에 원래 CPU를 할당받고 있었던 프로세스는 프로그램 카운터, 레지스터 값 등 프로세스 문맥을 자신의 PCB에 저장한다.
  • 새롭게 CPU를 할당받을 프로세스는 자신의 PCB로부터 이전의 문맥을 실제 하드웨어로 복원시키는 과정을 거친다.
  • 문맥 교환은 문맥을 PCB에 저장하고, 문맥을 PCB로부터 불러 오는 두 가지 과정이 필요하므로 모드 변경에 비해 훨씬 큰 오버헤드를 갖는다.
  • 문맥 교환 과정
    • 시스템 콜이나 인터럽트가 발생하여 커널의 호출이 필요한 상황이 나타난다.
    • 프로그램 카운터와 레지스터 값 등 문맥 정보를 커널에 있는 해당 프로세스의 PCB에 저장한다.
    • 현재 프로세스의 상태를 바꿔준다. (running -> blocked or ready or exit)
    • 프로세스의 상태에 따라 PCB를 적절한 큐에 넣어준다. (블록큐, 레디큐 등)
    • 다음에 수행시킬 다른 프로세스를 선택한다.
    • 선택된 프로세스의 상태를 running으로 바꿔준다.
    • 선택된 프로세스의 문맥 정보를 복구한다.
    • CPU는 새롭게 선택된 프로세스를 수행한다.


📌 모드 변경(Mode Switch)

  • 프로세스가 실행 상태일 때 시스템 콜이나 인터럽트가 발생하면 CPU의 제어권이 운영체제로 넘어와 원래 실행 중이던 프로세스의 업무를 잠시 멈추고 운영체제 커널의 코드가 실행된다. 이를 모드 스위치 이라고 한다.
  • 이 경우에도 프로세스의 문맥 중 일부를 PCB에 저장하지만 이는 문맥 교환이 아니다.
  • 이는 프로세스의 실행 모드만이 사용자모드에서 커널모드로 바뀌는 것일 뿐 CPU를 점유하는 프로세스가 다른 사용자 프로세스로 변경되는 과정이 아니다.
  • 모드 스위칭만 하고 문맥 교환을 하지 않는 경우 현재 프로세스의 문맥 저장과 간단한 복원만 일어나기 때문에 오버헤드가 적다.
  • 모드 스위칭 과정
    • 시스템 콜이나 인터럽트가 발생하여 커널의 호출이 필요한 상황이 나타난다.
    • 현재 프로세스의 문맥중 일부를 PCB에 저장한다.
    • 프로그램 카운터를 커널의 인터럽트 핸들러 프로그램의 시작 주소로 설정한다.
    • 사용자 모드를 커널 모드로 전환시켜서 인터럽트 핸들러를 수행하도록 한다.
    • 커널에 의해 인터럽트 처리가 완료되면, 이전에 수행중이던 프로세스로 복귀한다.


📌 프로세스를 스케줄링하기 위한 큐

  • 운영체제는 Ready 상태에 있는 프로세스들을 Ready Queue에 줄 세워 놓고 차례대로 CPU를 할당한다.
  • 준비 큐에 프로세스를 줄 세우는 방법은 CPU 스케줄링 방법에 따라 달라진다.
  • 이외에도 운영체제는 특정 자원을 기다리는 프로세스들을 줄 세우기 위해 자원별로 장치 큐(device queue)를 준다.
  • 예를 들어 디스크에 입출력 서비스를 요청한 프로세스들은 디스크 입출력 큐(disk I/O queue)에 줄 서게 된다.
  • 그러면 디스크 컨트롤러는 디스크 입출력 큐에 줄 서 있는 순서대로 프로세스들의 입출력 작업을 수행한다.
  • 프로세스별 입출력 작업이 완료되면 디스크 컨트롤러가 CPU에 인터럽트를 발생시키고, 인터럽트 처리 루틴에 의해 디스크 입출력이 완료된 프로세스는 입출력 큐에서 빠져나와 CPU를 기다리는 준비 큐에 줄 서게 된다.
  • 공유자원에 대한 프로세스 동기화도 큐에 프로세스들을 줄세우는 방식을 취한다.
  • 이와 같이 프로세스의 상태 관리는 커널의 주소 영역 중 데이터 영역에 다양한 큐(queue)를 두어 수행하게 된다.


📌 스케줄러

  • 스케줄러란 어떤 프로세스에게 자원을 할당할지를 결정하는 운영체제 커널의 코드를 지칭한다.

  • 스케줄러에는 장기 스케줄러, 중기 스케줄러, 단기 스케줄러가 있다.


장기 스케줄러

​

  • 디스크 내의 작업을 어떤 순서로 메모리에 가져올지 결정한다.
  • 디스크와 같이 저장장치에 작업들을 저장해놓고, 필요할 때 실행할 작업을 작업 큐에서 꺼내어 준비큐를 통해 메인 메모리에 적재한다.
  • 어떤 프로세스를 준비 큐에 진입시킬지 결정한다. 즉, 프로세스에게 메모리를 할당하는 문제에 관여한다.
  • 현대의 시분할 시스템에서 사용되는 운영체제에서는 일반적으로 장기 스케줄러를 사용하지 않는다.
  • 장기 스케줄러는 과거에 적은 양의 메모리를 사용하던 시절에 사용됐었다.


중기 스케줄러

​

  • 현대의 시분할 시스템용 운영체제에서는 장기 스케줄러 대신 중기 스케줄러를 둔다.
  • 중기 스케줄러는 너무 많은 프로세스에게 메모리를 할당해 시스템 성능이 저하되는 경우 이를 해결하기 위해 메모리에 적재된 프로세스의 수를 동적으로 조절하는 역할을 한다.
  • Swapping 기법을 활용한다.
  • 너무 많은 프로세스가 메모리에 적재되어 프로세스당 보유 메모리가 극도로 적어지면 중기 스케줄러는 메모리에 올라와 있는 프로세스 중 일부를 디스크로 swap out 시킨다.


단기 스케줄러

​

  • CPU 스케줄러라고도 하며, 준비 큐(메모리)에 있는 여러 프로세스들 중 어떠한 프로세스에게 CPU를 할당할 것인가를 결정한다.
  • 단기 스케줄러가 프로세스를 선정하면 디스패처가 CPU를 해당 프로세스에게 할당한다.


📌 프로세스의 생성

  • 운영체제가 모든 프로세스를 생성한다고 생각할 수 있지만 사실은 그렇지 않다.
  • 시스템이 부팅된 후 최초의 프로세스는 운영체제가 직접 생성하지만 그 다음부터는 이미 존재하는 프로세스가 다른 프로세스를 복제하여 생성하게 된다.
  • 왜 복제해서 생성할까? 이는 프로세스를 새로 생성하고 새롭게 자원을 할당하는데 오랜 시간이 걸리기 때문이다. 따라서 이미 생성된 프로세스으로부터 자원을 물려받는 복제 형태로 생성한다.
  • 이때 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스라고 하고, 새롭게 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다.
  • 프로세스가 생성되면 자신만의 독자적인 주소 공간을 갖게된다.
  • 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성하면 자식 프로세스는 별도의 주소 공간을 갖게 되는데, 처음 주소 공간을 생성할 때는 부모 프로세스의 주소 공간 내용을 그대로 복사해서 생성한다.
  • 이후 자식 프로세스가 다른 프로그램을 수행하기 위해서는 생성된 주소 공간 위에 새로운 프로그램의 주소 공간을 덮어씌워 실행한다.
  • 관련된 몇 가지 유닉스 시스템 콜 함수를 살펴보자
    • fork() : 자식 프로세스를 생성할 때 부모 프로세스의 내용을 그대로 복제 생성한다. 프로세스 ID를 제외한 모든 정보(커널 정보, 주소 공간 정보)를 그대로 복사한다.
    • exec() : 새로운 프로그램으로 주소 공간을 덮어씌운다.
    • exit() : 운영체제에게 자신이 종료됨을 알린다.
    • abort() : 부모 프로세스가 자식 프로세스의 수행을 강제 종료 시킨다.
    • wait() : 자식 프로세스가 종료되기를 기다리며 부모 프로세스를 block 시킨다.


C언어 fork 예제 1

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main() {
	int x;
	x = 0;

	fork();

	x = 1;
	printf("PID : %ld,  x : %d\n", getpid(), x);

	return 0;
}
  • 위 코드의 실행 결과는 아래와 같다. (리눅스 환경에서 gcc로 컴파일 했다.)
PID : 2076,  x : 1

PID : 2077,  x : 1
  • 자식 프로세스는 부모 프로세스와 동일한 주소 공간의 복사본을 가지게 된다.


C언어 fork 예제 2

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int main() {

	pid_t pid;

	int x;
	x = 0;

	pid = fork();

	if (pid > 0) {  // 부모 코드
		x = 1;
		printf("부모 PID : %ld,  x : %d, pid : %d\n", (long)getpid(), x, pid);
	}
	else if (pid == 0) {  // 자식 코드
		x = 2;
		printf("자식 PID : %ld,  x : %d, pid : %d\n", (long)getpid(), x, pid);
	}
	else {  // fork 실패
		printf("fork Fail! \n");
		return -1;
	}

	return 0;

}
  • fork 함수는 부모 프로세스에게는 자식 프로세스의 PID를 반환한다.
  • fork 함수는 자식 프로세스에게는 0을 반환한다.
  • 결과는 아래와 같다.
부모 PID : 2093,  x : 1, pid : 2094

자식 PID : 2094,  x : 2, pid : 0


📌 프로세스간의 협력

  • 원칙적으로는 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 없다.
  • 하지만 경우에 따라서 독립적인 프로세스들이 협력할 때 업무의 효율성이 증진될 수 있다. (부분적인 처리 결과나 정보를 공유, 처리속도의 향상 등)
  • 따라서 운영체제는 프로세스간의 협력 메커니즘을 제공해 하나의 프로세스가 다른 프로세스의 수행에 영향을 미칠 수 있게 한다.
  • 프로세스 간의 협력 메커니즘을 위해 운영체제가 제공하는 대표적인 메커니즘은 IPC(Inter-Process Communication)이 있다.
  • IPC란 하나의 컴퓨터 안에서 실행 중인 서로 다른 프로세스 간에 발생하는 통신을 말한다.
  • 이러한 통신에서는 공유 데이터에 대해 동기화를 해줘야한다.
  • IPC는 프로세스들 간의 통신과 동기화를 이루기 위한 메커니즘을 뜻한다.
  • IPC의 대표적인 방법으로 메세지 전달 방식과 공유 메모리 방식이 있다.
  • 메세지 전달 방식
    • 메세지 통신을 하는 시스템은 커널에 의해 send와 receive라는 두 가진 연산을 제공받는다.

      • 이 두 연산을 통해 프로세스는 전달할 메세지를 운영체제에게 시스템 콜 방식으로 요청해 전달할 수 있다.

      • 통신을 원하는 두 프로세스는 커뮤니케이션 링크를 생성한 후 send()와 receive()를 이용해 메세지를 주고 받는다.

      • 메세지 전달 방식은 직접통신과 간접통신으로 나뉜다.

    • 직접통신

      • 직접통신에서는 통신하려는 프로세스의 이름을 명시한다.

      • send(p, message) : 프로세스 p에게 메세지를 전송하는 것을 의미한다.

      • receive(Q, message) : 프로세스 Q로부터 메세지를 전달 받는 것을 의미한다.

    • 간접통신
      • 간접통신에서는 메세지를 메일 박스 또는 포트로부터 전달 받는다.
      • 각 메일박스에는 고유 ID가 있으며 메일 박스를 공유하는 프로세스들만 서로 통신할 수 있다.
      • 간접 통신에서 사용되는 커뮤니케이션 링크는 여러 프로세스 간에 메일 박스를 공유하는 경우에만 생성된다.
      • 하나의 링크가 여러 프로세스들에게 할당될 수 있고, 각 프로세스의 쌍은 여러 링크를 공유할 수 있다.
      • send(A, message) : A라는 메일박스에 메세지를 전송한다.
      • receive(A, message) : A라는 메일박스로부터 메세지를 전달 받는다.
  • 공유 메모리 방식
    • 공유 메모리 방식에서는 프로세스들이 주소 공간의 일부를 공유한다.
    • 운영체제에는 공유메모리를 사용하는 시스템 콜을 지원하여 주소 공간을 공유할 수 있게한다.
    • 공유 메모리 방식은 프로세스간의통신을 수월하게 만드는 인터페이스를 제공하지만 서로의 데이터에 일관성 문제가 발생할 수 있다.
    • 이에 대해서는 커널이 책임지지 않기 때문에 프로세스들끼리 동기화 문제를 책임져야 한다.


📝Thread

📌 정의

  • 쓰레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위다.
  • 쓰레드는 프로세스의 특정한 수행 경로이다.
  • 쓰레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위이다.
  • 쓰레드는 프로세스의 자원과 메모리를 공유한다.
    • 쓰레드간 효율적이 통신이 가능한다.
    • 쓰레드 생성이 빠르다.


📌 쓰레드 제어블록(Thread Control Block, TCB)

  • 각 쓰레드는 별도의 스택과 쓰레드 제어블록을 가지고 있다.
  • 쓰레드 제어블록에는 쓰레드 상태 정보, 레지스터 값, 우선순위 등의 정보를 포함한다.


📌 쓰레드의 장점과 멀티쓰레딩

  • 장점 1 : 쓰레드끼리는 자원을 공유하기 때문에 쓰레드간 교환은 프로세스간 교환보다 더 빠르고이고 효율적이다.

    • 왜 더 빠를까?
      • 쓰레드간에는 공유 데이터가 존재하기 때문에 빠르다. 공유되지 않는 부분만 교환하면 되기 때문이다.
    • 왜 더 효율적일까?
      • 프로세스간 문맥 교환이 일어났을 경우 이전에 캐쉬에 저장되어 있던 데이터는 의미가 없게된다.
      • 프로세스간에는 공유 데이터가 없기 때문이다. (A 프로세스의 캐쉬 데이터는 B 프로세스에서 무용지물이다.)
      • 하지만 쓰레드는 프로세스의 자원을 공유한다.
      • 쓰레드간 문맥교환이 일어났을 경우 이전 쓰레드의 공유자원에 대한 캐쉬 데이터는 의미 있는 정보다. (A 쓰레드의 캐쉬 데이터는 B 쓰레드에서도 의미가 있다.)
      • 정리하자면 쓰레드간에는 공유하는 데이터가 있기 때문에 문맥 교환이 일어났을 경우, 새롭게 교환되는 쓰레드가 이전의 캐쉬 데이터에 대한 이점을 볼 수 있다.

  • 장점 2 : 프로세스간 통신은 커널이 개입 되어야 하지만 같은 프로세스 내의 쓰레드들은 메모리와 파일을 공유하기 때문에 커널호출 없이 효율적으로 서로 통신 할 수 있다.

  • 장점 3 : 프로세스 생성(종료) 보다 쓰레드 생성(종료)가 더 빠르다.

    • 프로세스 fork는 모든 정보를 자식에게 복사하는 반면, 쓰레드는 프로세스의 많은 부분을 공유하기 때문에 일부분만 복사해서 생성할 수 있다.

    • 아래는 fork()를 이용한 프로세스 생성과 pthread_create()를 이용한 thread 생성간의 비용을 비교한 표다.

  • 이와 같은 장점으로 여러 개의 프로세스로 해야하는 작업을 하나의 프로세스에서 여러 개의 쓰레드로 나누어 수행한다. 이를 멀티쓰레딩이라고 한다.

  • 하지만 프로세스의 공유 자원을 사용하는 쓰레드간에 race condition이 발생할 수 있기 때문에 쓰레드간 동기화가 필요하다. 또한 멀티쓰레딩은 디버깅이 까다롭다는 단점이 있다.


📌 쓰레드의 종류


사용자 레벨 스레드 (User-Level Thread)

  • 프로그래머는 쓰레드 라이브러리를 사용해서 멀티쓰레딩 프로그램을 작성할 수 있다.
  • 커널은 프로세스의 존재만 인식할 뿐, 프로세스 내의 쓰레드들의 존재를 알지 못한다.
  • 쓰레드 라이브러리는 쓰레드의 생성과 제거, 쓰레드간 메세지와 데이터 전달, 쓰레드 스케줄링, 쓰레드간 교환 등에 대한 코드를 포함한다.
  • 쓰레드간 교환에서 커널은 프로세스 단위로 스케줄링을 한다.
  • 쓰레드간 context switching를 쓰레드 라이브러리에서 제공한다. 따라서 커널의 개입이 필요없다.
  • 만약 한 프로세스의 특정 쓰레드가 입출력과 관련된 시스템 콜을 해서 block이 되면, 커널은 프로세스를 통째로 block 한다. 이때 나머지 쓰레드들도 block되는 단점이 있다.


커널 레벨 스레드 (Kernel-Level Thread)

  • 커널은 쓰레드를 인식할 수 있고, 쓰레드 관리와 관련된 모든 작업이 커널에서 이루어진다.
  • 쓰레드 단위로 스케줄링할 수 있는 장점이 있다. 멀티프로세서 환경에서 여러 쓰레드를 동시에 처리하게 할 수 있다.
  • 스케줄링은 커널이 쓰레드 단위로 진행하고, 이로인해 쓰레드간 context switch가 빈번하게 발생하는 오버헤드가 존재한다.


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