[CS] 혼공컴운 Chapter 10. 프로세스와 스레드

10-1 프로세스 개요

프로세스 제어 블록

• CPU 자원은 한정되어 있기 때문에 프로세스들은 차례대로 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU를 이용.
• 운영체제는 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 프로세스에 CPU를 비롯한 자원을 배분하기 위해 프로세스 제어 블록(PCB: Process Control Block)을 이용.
• PCB는 프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료 구조이며, 커널 영역에 생성된다.
• PCB를 통해 알수있는 대표적인 정보들: 프로세스ID, 레지스터 값, 프로세스 상태, CPU스케줄링 정보, 메모리 관리 정보, 사용한 파일과 입출력장치 목록

 

문맥 교환

• Ex) 프로세스 A가 운영체제로부터 CPU를 할당받아 실행되다가 시간이 다 되어 프로세스 B에 CPU 사용권을 넘기는 상황.
• 프로세스 A는 지금까지의 중간 정보를 백업해야하는데 이러한 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보를 문맥이라 함.
• 기존 프로세스의 문맥을 PCB에 백업하고, 새로운 프로세스를 실행하기 위해 문맥을 PCB로부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것을 문맥 교환(context switching)이라고 함.
• 문맥 교환은 여러 프로세스가 끊임없이 빠르게 번갈아 가며 실행되는 원리.

 

프로세스의 메모리 영역

• 프로세스가 생성되면 커널 영역에 PCB가 생성되고, 사용자 영역에는 코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역으로 나뉘어 저장.
  • 코드 영역과 데이터 영역은 크기가 고정된 정적 할당 영역
  • 힙 영역과 스택 영역은 프로세스 실행 과정에서 그 크기가 변할 수 있는 동적 할당 영역
• 코드 : 실행할 수 있는 코드, 즉 기계어로 이루어진 명령어가 저장.
  • 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담겨 있기 때문에 Write가 금지되어 있으며, Read-only 공간이다.
• 데이터 : 잠깐 썼다가 없앨 데이터가 아닌 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간.
  • 전역 변수가 대표적인 예.
• 힙 : 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간.
  • 힙 영역에 메모리 공간을 할당 시, 메모리 공간 사용이 끝났을 때 해당 공간을 반환해야한다.
  • 만약 반환하지 않는다면 할당한 공간은 메모리 내에 계속 남아 메모리 낭비를 초래(메모리 누수). 
• 스택 : 데이터를 일시적으로 저장하는 공간.
  • 데이터 영역과 달리 잠깐 쓰는 값들이 저장되며 매개 변수, 지역 변수가 대표적인 예.

 

10-2 프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

1. 생성 상태 : 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당 받은 상태.
2. 준비 상태 : CPU를 할당 받아 실행 할 수 있지만, 차례를 기다리는 상태. 준비에서 실행 상태로 전환되는 것을 디스패치라고 함.
3. 실행 상태 : CPU를 할당 받아 실행 중인 상태.
4. 대기 상태 : 실행 도중 입출력 장치 작업이 끝날 때까지 기다리는 상태.
5. 종료 상태 : 프로세스가 종료된 상태. 운영체제는 PCB와 메모리를 정리.

프로세스 상태 다이어그램

 

프로세스 계층 구조

• 프로세스는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있다.
• 이때 새 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스
• 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스

 

프로세스 생성 기법

• 부모 프로세스는 fork(복사본을 만드는 시스템 호출)를 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성.
• 자식 프로세스는 exec(새로운 프로그램으로 전환하는 시스템 호출)를 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체.

 

10-3 스레드

프로세스와 스레드

• 프로세스(process)는 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위.
• 스레드(thread)는 프로세스를 구성하는 실행의 흐름 단위.

과거 단일 스레드 프로세스 당시에는 한 번에 하나의 작업을 처리했지만, 시간이 흐를수록 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기에는 벅차게 되었다.
쉽게 떠오르는 방법은, "한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 어떨까?"라는 생각이 들지만 이는 불가능하다.
왜냐하면 운영체제는 안전성을 위해 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문이다.
이를 해결하기 위해 프로세스보다 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이 개념이 바로 스레드이다.

 

멀티프로세스와 멀티스레드

• 여러 프로세스를 동시에 실행하는 것을 멀티프로세스
• 여러 스레드로 프로세스를 동시에 실행하는 것을 멀티스레드
• 프로세스끼리는 기본적으로 자원을 공유하지 않지만, 스레드끼리는 같은 프로세스 내의 자원을 공유.
• 자원을 공유한다는 특성은 단점이 될 수도 있는데, 멀티프로세스 환경에서는 하나의 프로세스에 문제가 생겨도 다른 프로세스에는 지장이 적거나 없지만, 멀티스레드 환경에서는 하나의 스레드에 문제가 생기면 프로세스 전체에 문제가 생길 수 있다.