3월 1주차 운영체제 - 3.3 프로세스와 스레드

[ChanYoungHong]

운영체제 - 3.3 프로세스와 스레드

<프로세스와 스레드>

1. 프로세스 - 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
2. 스레드 - 프로세스 내 작업의 흐름

<프로세스와 컴파일 과정>

인스턴스화란 → 클래스 내의 객체에 대해 특정한 변형을 정의하고, 이름을 붙이고, 물리적 어떤 장소에 위치 시키는 것

1. 전처리
   • 헤더파일 삽입
   • 매크로 치환 및 적용
2. 컴파일러
   • 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 ‘어셈블리어’로 변환
3. 어셈블러
   • 목적 코드로 변환시킨다
4. 링커
   • 프로그램 내의 라이브러리 함수 or 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만든다.

<정적 vs 동적 라이브러리>

1. 정적 라이브러리
   • 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
   • 장점 : 외부 의존도가 낮은 장점
   • 단점 : 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어짐
2. 동적 라이브러리
   • DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방식
     • DLL(Dynamic Link Library)이란 : 동적 라이브러리, 실행 파일에서 해당 라이브러리의 기능을 사용 시에만, 즉 프로그램이 실행 되었을 때 메모리에 적재 되어서 언제든지 접근 가능

- 장점 : 메모리 효율성의 장점
- 단점 : 외부 의존도가 높아짐

<프로세스의 상태>

1. 생성 상태

   1. fork() or exec() 함수를 통해 생성한다, 이 때 PCB가 할당된다.
   2. fork() : 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
   3. exec() : 새롭게 프로세스를 생성하는 함수

2. 대기 상태

• CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태
• 메모리 공간이 충분하면 받고, 아니면 대기

1. 대기 중단 상태
   • 메모리 부족으로 일시 중단된 상태입니다.
2. 실행 상태
   • CPU 소유권과 메모리를 할당 받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미
3. 중단 상태
   • 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
   • I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 현상이 생김
   • ex) 프린트 인쇄 버튼 눌렀을 때, 살짝 멈추는 것
4. 일시 중단 상태
   • 대기 중단 상태와 비슷함, 메모리 부족으로 일시 중단된 상태입니다.
5. 종료 상태(terminated)
   • 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
   • 비자발적 종료도 있음(abort) → 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 것
   • 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어 부모 프로세스가 종료되거나, 사용자가 process.kill으로 종료할 때 발생함

<프로세스의 메모리 구조>

1. 스택과 힙(동적 영역) - 런타임 단계에서 메모리를 할당
   1. 스택 : 지역변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해서 커지거나, 작아짐
      1. 함수가 호출 될 때마다, 특정 정보가 스택에 계속해서 저장 됨
   2. 힙 : malloc(), free() 함수를 통해 관리된다.
      1. 동적으로 관리되는 자료 구조의 경우 힙 영역 사용
2. 데이터 영역과 코드 영역(정적 영역) - 컴파일 단계에서 메모리를 할당
   1. 데이터 영역 - 1. BSS segment 2. Data segment 3. code/text segment
      1. BSS → 초기화 되지 않은 변수들이 이 메모리에 할당 됨
      2. Data → 초기화 된 전역 변수와 정적 변수가 저장됩니다
      3. code/text → 기계어 명령어가 들어감, 읽기만 가능, 쓰기 금지

PCB - Process Control Block → 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 ‘데이터’를 말합니다.

• 프로세스 제어 블록이라고도 함
• 주소 값들에 의해 스택, 힙 기반의 메모리 할당 → 메타데이터들이 PCB에 저장 및 관리
• 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리되고 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리 됨

<PCB의 구조> → 한 번 읽어보시길 바랍니다 ! ! !

<컨텍스트 스위칭>

정의 : PCB를 교환하는 과정을 뜻함, 실행되는 프로세스는 하나이지만 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행도기 때문에 여러 개가 동시에 쓰는 것처럼 보인다.

프로세스 A 실행하다 멈춤 → A의 PCB를 저장 → 프로세스 B를 로드하여 실행 → B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드함

<비용: 캐시미스>

• 정의 : 컨텍스트 스위칭에 드는 비용
• 메모리 주소가 그대로 있으면 잚못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생합니다

<스레드에서의 컨텍스트 스위칭>

• 스레드 : 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유함
• 비용이 적고, 시간도 더 적게 걸린다

<멀티프로세싱>

• 정의 : 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것의 의미한다
• 장점 : 병렬처리가 가능함, 메모리, 프로세스 중 일부 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있습니다.

<웹 브라우저>

• 멀티프로세스 구조를 가지고 있다.
• 4가지의 종류가 있음 ! 그림 한 번 읽어보기~~

- 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메세지 큐

정의 : IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻합니다.

• 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것도 IPC의 예입니다.
• IPC의 종류 → 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있습니다.
• 스레드보다는 속도가 떨어짐

<공유 메모리>

정의 : 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유

공유메모리 특징 : 불필요한 데이터 오버헤드가 발생하지 않는다, 빠르다, 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.

<파일>

정의 : 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말합니다. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 합니다.

<소켓>

정의 : 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미

ex) TCP, UDP 등이 있다

<익명 파이프>

정의 : 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받음

단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식

<명명된 파이프>

정의 : 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프를 말합니다.

클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있습니다.

<메세지 큐>

정의 : 메시지 큐 데이터 구조 형태로 관리

• 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단함
• 다른 코드 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐레 접근 가능
• IPC 구현 시, 읽기, 쓰기 빈도가 높으면 동기화 때문에 복잡해지는데 대안으로 메시지 큐를 사용

<스레드와 멀티스레딩>

<스레드>

정의 : 프로세스 실행 가능한 가장 작은 단위입니다, 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있습니다.

• 프로세스 : 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성
• 스레드 : 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 공유 나머지는 각각 생성

<멀티스레딩>

정의 : 프로세스 내의 작업을 여러 개의 스레드로 하는 것, 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 좋음

특징 :

• 한 스레드가 중단 되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있기 때문에 빠른 처리가 가능
• 동시성에도 좋음
  • 동시성 : 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행하는 것처럼 보여줌
• 한 스레드가 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 주는 단점이 있음

<공유 자원과 임계 영역>

<공유 자원>

정의 : 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일 등의 자원이나 변수 등을 의미함

경쟁 상태(race condition) : 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황

<임계 영역(critical section)>

정의 : 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말함

해결하는 방법 :

3가지 → 1.뮤텍스 2.세마포어 3.모니터 대신 조건을 모두 만족해야 함 (상호 배제, 한정 대기, 융통성)

상호 배체 : 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 못 들어감

한정 대기 : 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 됨

융통성 : 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해하면 안 됨

1. 뮤텍스

정의 : 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체

2. 세마포어

정의 : 일반화된 뮤텍스, 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait()과 signal()로 공유 자원에 대한 접근을 함

• wait() : 자신의 차례가 올 때까지 기다림, 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업 수행
• signal() : 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수,

프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal()작업을 수행

1. 바이너리 세마포어
   1. 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어
   2. 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 ‘신호 메커니즘’입니다.
2. 카운팅 세마포어
   1. 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어임
   2. 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용 됨

3. 모니터

정의 : 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근 할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공

특징 : 모니터 - 상호 배제가 자동, 세마포어는 - 상호 배제를 명시적으로 구현 해야 함

<교착 상태>

정의 : 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

<교착 상태의 원인>

• 상호 배제 : 자원 독점으로 다른 프로세스 접근 불가
• 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청
• 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제로 가져올 수 없다
• 환형 대기 : 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

<교착 상태의 해결 방법>

1. 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계하기
2. 교착 상태 없을 때만 자원 할당하기, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 파악하는 ‘은행원 알고리즘’ 쓰기
   1. 은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당된 양을 기준으로 안정 Or 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 자원을 유도한다
3. 사이클이 있는지 찾아보고 프로세스 하나씩 지우기
4. 매우 드물게 일어남, 처리 비용이 커서 발생하면 사용자가 작업을 종료하는 방식으로 현재 많이 사용 됨