7. 프로세스와 스레드

안녕하세요 이번 포스팅에서는 저번 포스팅에서 정리한 컴퓨터 구조, 운영체제를 더 공부하고 정리해보겠습니다.

 

 

 

 

 

 

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# 프로세스와 스레드

프로세스는 컴퓨터 내에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케쥴링의 대상이 되는 작업 task 용어가 비슷한 의미로 사용됩니다.

프로세스 내 작업의 흐름을 스레드라고 지칭합니다.

 

* 프로세스와 컴파일 과정

프로그램 -> 메모리 인스턴스화 -> CPU 스케쥴링 -> 프로세스 실행

 

 

1. 프로세스 상태

1. 생성 상태 : fork(), exex()

2. 대기 상태 : ready -> CPU 소유권 대기

3. 대기 중단 상태 : 메모리 부족으로 일시 중단 상태

4. 실행 상태 : CPU burst. 소유권과 메모리 할당 받음. 인스트럭션 수행 중

5. 중단 상태 : 어떤 이벤트가 일어난 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태

6. 일시 중단 상태 : 중단 상태에서 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

7. 종료 상태 : 메모리/CPU 소유권을 놔두고 가는 상태. 종료 -> 비자발적 종료도 가능

 

2. 프로세스의 메모리 구조

동적(스택, 힙 -> 런타임 단계에서 메모리 동적 할당), 정적(데이터, 코드 -> 컴파일 단계에서 메모리 정적 할당)영역으로 나뉩니다. 스택은 위 주소로 부터 할당되며 힙은 아래 주소로 부터 할당됩니다.

 

3. PCB

Process Control Block은 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말합니다. 프로세스 제어 블록이라고도 합니다. 프로세스가 생성시 운영체제는 해당 PCB를 생성합니다. 프로세스의 중요한 정보를 관리/포함하기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 앞부분에서 관리됩니다.

 

PCB는 프로세스 스케쥴링 상태, 프로세스 ID 등의 정보로 이루어져 있습니다.

 

* 컨텍스트 스위칭 : PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정을 말합니다.

 

스레드에서는 스택 영역을 제외한 모드 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸립니다.

 

4. 멀티프로세싱

멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말합니다. 이로 인해 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 생기더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있습니다. 

 

1. 웹 브라우저

2. IPC ( Inter Process Communication ) : 프로세스 간 데이터를 공유하는 데이터를 관리하는 메커니즘

 

* 공유 메모리 
: 여러 프로세스에 동일한 메모리 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있게 공유 메모리를 생성해 통신하는 것을 말합니다.

* 파일

: 디스크에 저장된 데이터, 파일 서버 제공 데이터

* 익명 파이프

: FIFO 임시 공간 파이프를 통해 프로세스 간 통신을 하는 것이며, 부모 자식 간에만 가능합니다.

* 명명 파이프

: 파이브 서버, 하나 이상의 파이프 클라이언트 간 통신을 위한 단/양방향 파이프를 말합니다. 하나, 여러 개의 파이프 인스턴스를 기반으로 통신합니다.

* 메시지 큐

: 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미합니다. 

 

5. 스레드와 멀티스레딩

- 스레드

프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위입니다. 스레드는 코드, 힙, 데이터 영역은 서로 공유합니다. 

 

- 멀티스레딩

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법입니다. 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높습니다. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있습니다.

 

6. 공유 자원과 임계 영역

- 공유 자원

시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 접근할수 있는 자원이나 변수 등을 의미합니다. 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 접근하는 상황을 경쟁 상태라고 합니다. -> 이 경우 결과값에 영향

 

- 임계 영역

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 경우 결과 값이 달라지는 코드 영역을 말합니다. 

 

이를 해결하기 위해 3가지 방법이 있습니다.

 

1. 뮤텍스

프로세스나 스레드가 공유자원을 lock()을 통해 잠금설정하고 사용한 후 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체입니다. 

2. 세마포어

일반화된 뮤텍스, 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait()/signal()로 접근을 처리하는 것 입니다.

 

* 바이너리 세마포어 : 0, 1의 두가지 값을 가지는 세마포어. 신호 메커니즘

* 카운팅 세마포어 : 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어

 

3. 모니터

둘 이상의 스레드/프로세스 가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공합니다. 모니터 큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리합니다.

 

7. 교착 상태

두 개 이상의 프로세스들이 서로 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말합니다.

 

* 원인

1. 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점

2. 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청

3. 비선점 : 강제적으로 자원을 가져올 수 없음

4. 환형 대기 : 각 프로세스가 서로의 자원을 요구

 

* 해결 방법

1. 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계

2. 교착 가능성이 없을 때만 자원 할당, 은행원 알고리즘 사용

3. 교착 상태가 발생 시, 사이클 탐색 -> 관련 프로세스 하나 씩 삭제

4. 교착 상태 -> 큰 비용 -> 사용자 작업 종료

 

* 은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정/불안정을 나눠 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘

 

8. CPU 스케줄링 알고리즘

# 비선점형 방식

프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식입니다. 강제로 중지하지 않으며 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적습니다.

 

1. FCFS ( First Come, First Served )

가장 먼저 온 것을 가장 먼저 처리하는 알고리즘입니다. 길게 수행되는 프로세스 때문에 ready Queue에 오래 기다리는 현상이 발생합니다.

 

2. SJF ( Shortest Job First )

실행 시간이 가장 짧은 프로세스를 가장 먼저 실행하는 알고리즘입니다.

 

* 우선순위 : SJF 경우, 긴 시간을 가지는 프로세스는 실행 되지 않는 현상을 가집니다. 우선순위는 이 단점을 오래된 작업일 수록 "우선순위를 높이는 방법(aging)"을 사용해 보완한 알고리즘입니다.

 

 

# 선점형 방식

현대 운영체제가 쓰는 방식으로 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식입니다.

 

1. 라운드 로빈

각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간 안에 끝나지 않으면 다시 준비 큐에 뒤로 가는 알고리즘입니다.

 

2. SRF ( Shortest Remaining Time First )

중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중단시키고 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘입니다.

 

3. 다단계 큐

우선순위에 따른 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것을 말합니다. 큐마다 이동이 안되므로 스케줄링에 부담은 적지만 유연성이 떨어집니다.

 

 

이번 포스팅은 여기서 마무리하겠습니다! 감사합니다!