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OS 스레드 , 프로세스 차이 (멀티스레드와 멀티프로세스차이, PCB)

운영체제 (Operating System)

HW 하드웨어와 SW 소프트웨어를 관리하는 역할

1) 운영체제의 역할 - (4)

(1) CPU 스케줄링과 프로세스 관리 : CPU 소유권을 어떤 프로세스에 할당할지, 프로세스 생성과 삭제 자원 할당 및 반환을 관리

(2) 메모리 관리 : 한정된 메모리를 어떤 프로세스에 얼만큼 할당해야 할지 관리

(3) 디스크 파일 관리 : 디스크 파일을 어떤 방법으로 보관할지 관리

(4) I/O 디바이스 관리 : I/O 디바이스 (마우스, 키보드)와 컴퓨터 간 데이터 주고받는 것 관리

2) 운영체제 구조

위의 형태가 운영체제의 구조적 형태이다.

1) GUI/CLI

GUI : (그래픽 유저 인터페이스) 사용자와 전기 장치 상호작용 할 수 있도록 하는 사용자 인터페이스
CLI : 그래픽이 아닌 명령어로 처리하는 인터페이스 (참고로 GUI 없이 CLI만 있는 리눅스 서버도 있다.) CLI = CUI

2) 시스템콜 : 응용 프로그램에서 시스템 자원 사용하기 위해 커널에 어떤 동작 요청하는 수단

유저 프로그램이 운영체제의 서비스 받기 위해 커널 함수 호출 시 사용

3) 커널 : 운영체제의 중추적 역할. 시스템콜 인터페이스 제공

메모리 관리, 프로세스 관리, 장치 관리 등의 서비스 제공 역할 맡는다.
운영체제 속에 보호된 메모리 영역에 존재함

4) 드라이버 : 하드웨어 제어하기 위한 소프트웨어

들어가기 앞서,

→ 기본적으로 운영체제의 커널이 프로그램을 메모리에 올려 ‘프로세스’로 만들면, CPU가 이를 처리한다.

→ CPU는 그저 ‘메모리’에 올라와있는 프로그램들의 명령어를 실행할 뿐이다.

프로세스

⬛ 프로그램 | 정적인 개념

저장 장치에 저장된 작업을 실행 할 수 있는 실행 파일

⬛ 프로세스 | 동적인 개념

프로그램(실행 파일)을 메모리에 올려 실행 중인 상태 = ‘프로세스’
정적 프로그램이 운영체제의 PCB를 받아 메인 메모리에 적재되어 동적인 상태된
컴퓨터에서 실행 중인 프로그램

💡 → 프로그램 : 구글 크롬(chrome.exe) 실행 파일
→ 프로세스 : 우리가 크롬 두 번 클릭해서 (메모리에 올라와 해당 프로그램이 실행 상태가 되면) ‘구글 프로세스’로 변환된 것이다.

⬛ 프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데, 다음 구조를 기반으로 할당한다.

(1) 스택 : 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘거나 줄어드는 메모리 영역

(2) 힙 : 동적 할당되는 변수들 담음

(3) 데이터 영역

BBS segment : 전역 변수, static, const로 선언되어 있고, 0으로 초기화 또는 초기화 안된 변수들
Data segment : 전역 변수, static, const 로 선언되어 있고, 0이 아닌 값으로 초기화된 변수들

(4) 코드 영역 : 프로그램 코드 담김

⬛ 프로세스의 상태

프로세스는 여러 가지 상태 값을 갖는다.

1) 생성 상태 (New)

프로그램이 메모리에 올라가 프로세스가 되고, 운영체제에 의해 PCB가 생성된다.

2) 준비 상태 (Ready)

프로세스가 생성되면 바로 CPU에 할당되는 게 아니라 준비 상태에 접어든다.
이때 PCB는 준비 큐에 들어가며 CPU에 할당될 때까지 자신의 차례를 기다린다.
준비 큐에서 어떤 프로세스가 실행 상태로 옮겨지는가는 ‘CPU 스케줄러’에 의해 관리된다.

디스패치 (dispatch) : CPU 스케줄러에 의해 준비 상태의 프로세스가 실행 상태로 되는 것

3) 실행 상태 (Running)

CPU 스케줄러에 의해 프로세스가 실행 상태가 되면 CPU를 할당받아 작업을 진행한다.
시분할 시스템의 경우 타임 슬라이스가 주어지기 때문에 이 시간동안 프로세스가 CPU를 사용할 수 있다.
만약 주어진 타임 슬라이스 동안 작업 완료하지 못하면 타임 아웃 (timeout) 즉, 인터럽트가 발생하며 실행 상태의 프로세스는 작업을 중단하고 다시 준비 상태가 된다.

4) 대기 상태 (Blocked)

만약 실행 중인 프로세스가 입출력 요청한 경우에는 CPU 작업을 중단하고 입출력을 처리해야 한다. 따라서 CPU는 입출력 관리자에게 입출력 요청을 하게 된다.
이떄 block 명령이 발생하며 프로세스는 입출력이 끝날 때까지 대기 상태가 된다.
입출력이 완료되면 인터럽트가 발생하고, 대기 상태의 프로세스는 바로 실행 상태가 되는 게 아니라 준비 상태가 된다.
프로세스 입출력이 완료된 시점에 이미 CPU를 할당 받고 실행 중인 프로세스가 있을 수 있기 때문이다. 그러므로 준비 큐에 들어가서 자기 차례를 기다린다.

5) 완료 상태 (Exit)

프로세스가 작업 모두 완료하면 종료 된다.
메모리에 적재되어있던 프로세스 정보와 PCB가 제거된다.

⬛ CPU 스케줄링

CPU가 유휴 상태가 될 때마다, 운영체제는 준비 큐에 있는 프로세스 중 하나를 선택해 실행해야 하며 이때, CPU 스케줄러가 어떤 프로세스를 싱행할지 선택하고 CPU에 할당해주는 역할을 한다.

⬛ 디스패처 (Dispatcher)

CPU 스케줄러에 의해 선택된 프로세스에게 CPU 제어권을 넘기는 것
프로세스 레지스터를 적재하고 (문맥교환) , 커널 모드에서 사용자 모드로 전환시켜주며, 프로세스가 다시 시작할 때 사용자 프로그램이 올바른 위치를 찾도록 한다.

⬛ 디스패치 지연 시간 (Dispatch Latency)

디스패처가 하나의 프로세스를 정지시키고 다른 프로세스에게 CPU를 전달하기까지 걸리는 시간을 디스패치 지연 시간이라고 하며, 문맥 교환 오버헤드에 해당

⬛ CPU 스케줄링 결정 4가지 상황
1) 실행 → 대기 상태로 전환 (ex. I/O 발생)
2) 실행 → 준비 상태로 전환 (인터럽트 발생)
3) 대기 → 준비 상태로 전환 (ex. I/O 완료 시)
4) 종료 될 때
→ 1, 4 번 상황에서 ‘비선점형 스케줄링’
→ 2, 3 번 상황에서 ‘선점형 스케줄링’

1) 선점형 스케줄링

선점형 : 하나의 프로세스가 CPU를 차지하고 있을 때, 우선순위 높은 다른 프로세스가 현재 프로세스를 중단시키고 CPU를 점유하는 스케줄링 방식

장점 : CPU 처리 기간이 매우 긴 프로세스의 CPU 사용 독점 막을 수 있으므로 효율적

단점 : 잦은 문맥 교환으로 인한 오버 헤드 커질 수 있음

(1) RR (Round Robin) 라운드 로빈

프로세스마다 같은 크기의 CPU 시간을 할당
프로세스가 할당된 시간 내에 처리 완료 못하면 준비 큐 리스트 가장 뒤로 보내지고, CPU는 대기 중인 다음 프로세스로 넘어감
균등한 CPU 점유시간 보장하며, 시분할 시스템을 사용

(2) SRT (Shortest Remaining Time) | = SRTF

SJF 스케줄링을 선점형으로 구현한 기법
가장 짧은 시간 소요되는 프로세스 먼저 수행
남은 시간 더 짧다고 판단되는 프로세스가 준비 큐에 생기면 언제라도 프로세스가 선점됨

(3) 다단계 큐 (Multi Level Queue)

작업들을 여러 종류의 그룹으로 분할, 여러 개의 큐를 이용하여 상위 단계 작업이 선점
각 큐는 자신만의 독자적인 스케줄링을 가짐

(4) 다단계 피드백 큐 (Multi Level Feedback Queue)

입출력 위주와 CPU 위주인 프로세스 특성에 따라 큐마다 서로 다른 CPU 시간 할당량 부여
FCFS와 라운드 로빈 기법 혼합

2) 비선점형 스케줄링

비선점형 : 어떤 프로세스가 이미 CPU 점유 중이면 해당 프로세스가 CPU 반환 시까지 다른 프로세스는 CPU 점유 불가능한 스케줄
콘베이 현상 : 모든 프로세스에 대한 요구를 공정히 처리하지만, 긴 작업 종료시까지 짧은 작업 수행 프로세스도 대기해야 하는 현상

장점 : 필요한 문맥 교환만 일어나니 상대적으로 오버헤드 적다.

단점 : 프로세스의 배치에 따라 효율성 차이 많이

(1) FCFS (First Come First Served Scheduling)

프로세스가 대기 큐에 도착한 순서에 따라 CPU를 할당

(2) 최단 작업 우선 - SJF (Shortest Job First Scheduling)

CPU burst 시간이 가장 짧은 프로세스에게 제일 먼저 CPU 할당하는 방식

(3) 우선순위 (Priority Scheduling)

우선순위가 제일 높은 프로세스에게 CPU 할당

(4) HRRN (Hightest Response Ratio Next Scheduling)

짧은 작업과 대기 시간이 긴 작업의 우선순위를 높인다.
SJF의 단점인 긴 작업과 짧은 작업의 과도한 불평등 보완한 기법이다.
한 프로세스가 CPU를 사용하면 작업 완성 시까지 실행하며, 대기 시간이 고려되어 긴 작업과 짧은 작업 사이의 불평등을 어느 정도 완화한다.

PCB (Process Control Block)

⬛ PCB | 프로세스 제어 블록

운영체제가 프로세스 제어하기 위해 정보를 저장해놓는 곳
프로세스의 상태 정보 저장하는 구조체
PCB는 운영체제가 프로세스를 표현한 것
프로세스가 생성될 때마다 고유 PCB가 생성되며, 프로세스 종료되면 PCB는 제거된다.

⬛ PCB의 구조 (= PCB에 저장되는 프로세스의 정보들)

1) 프로세스 ID (Process ID) : 프로세스의 고유 ID

2) 프로세스 스케줄링 상태 (Process State) : ‘준비’, ‘일시중단’ 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권 얻은 이후의 상태

3) 프로그램 카운터 (Program Counter) : 현재 프로세스 다음에 실행될 명령어의 주소

4) CPU 레지스터 (CPU Register) : 프로세스 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터 정보

5) CPU 스케줄링 정보(CPU Scheduling Information) : 우선 순위, 최종 실행 시각, CPU 점유 시간 등 CPU 스케줄링에 필요한 정보

6) 계정 정보 (Accounting Information) : 프로세스 실행에 필요한 CPU 사용량, 실행한 유저 정보

7) I/O 상태 정보 (I/O Status) : 프로세스에 할당된 입출력 장치 목록

8) 포인터 : 부모 프로세스에 대한 포인터, 자식 프로세스에 대한 포인터, 프로세스가 위치한 메모리 주소에 대한 포인터 등

문맥 교환 (Context Switching)

⬛ 문맥 교환

현재 CPU를 사용중인 프로세스의 CPU 제어권이 다른 프로세스로 이양되는 과정

싱글 코어에서, 어떠한 시점에 실행되고 있는 프로세스는 1개이며 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 문맥 교환이 빠른 속도로 실행되고 있기 때문이다.

💡 현대 컴퓨터는 멀티 코어의 CPU를 갖지만, 문맥 교환에서는 싱글코어 기준으로 설명한다.

⬛ 문맥 교환 일어나는 과정

[프로세스A] 실행 도중에 ‘인터럽트 or 시스템콜’ 발생
PCB1에 [프로세스A] 정보 저장 후, PCB2의 상태 불러옴(로드)
[프로세스B] 를 실행
[프로세스B] 실행 도중 ‘인터럽트 or 시스템콜’ 발생
PCB2에 [프로세스B] 정보 저장 후, PCB1 상태 불러옴 (로드)
[프로세스A] 를 실행

⬛ 인터럽트
프로그램 실행 도중 예기치 않은 상황 발생할 경우, 현재 실행 중인 작업을 일시 중단하고, 발생된 상황을 우선 처리 후 실행 중이던 작업으로 복귀하여 이전 일을 계속 처리하는 것
→ IVT : 인터럽트 벡터 테이블 (ISR 주소 보관 테이블)
→ ISR : 인터럽트 서비스 루틴 (해당 인터럽트 처리 위한 코드)

⬛ 유휴 시간
: CPU가 작업 없이 쉬는 상태

⬛ 캐시 미스
: CPU가 참조하려는 데이터가 캐시 메모리에 없을 때 발생

⬛ 문맥 교환에서의 ‘캐시 미스’ | 문맥교환에 드는 비용
: 문맥 교환이 일어날 때, 현재 프로세스의 메모리 주소에 대한 캐시가 제대로 클리어 되지 않은 상태로 새로운 프로세스가 시작될 경우, 해당 프로세스와는 관련 없는 데이터가 남아있게 되므로, 해당 주소를 참조할 때 캐시 미스가 발생할 수 있다.

⬛ 스레드에서의 ‘문맥 교환’
: 스레드는 스택 영역 제외한 모든 메모리를 공유하므로, 스레드의 문맥 교환은 프로세스 문맥 교환보다 더 비용이 적고 시간도 적게 걸린다.

스레드

⬛ 스레드

프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 ‘실행 흐름 단위’
프로세스의 자원을 공유하는 독자적 실행 단위
프로세스의 스택 영역 제외한 (힙, 데이터, 코드) 영역은 공유한다.

1) 커널 레벨 스레드

커널에서 직접 관리하는 스레드
더 안정성이 보장된다.
스케줄링과 동기화 때문에 속도가 더 느리다.

2) 유저 레벨 스레드

유저가 라이브러리를 통해 관리하는 스레드
스케줄링이나 동기화를 사용자가 직접 구현해야 한다.
커널이 스레드의 존재를 모르기 때문에 문맥 교환이 없고, 하나의 스레드가 커널에 의해 블락되면 전체 프로세스가 블락된다.
입출력의 경우 커널 레벨 스레드가 더 빠르다.

프로세스와 스레드 비교

⬛ 개념적 비교

프로세스 : 프로그램을 메모리에 올려 실행 중인 상태
스레드 : 프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위

⬛ 메모리 영역 비교

프로세스는 운영체제로부터 각 프로세스 별로 별도의 메모리 영역을 할당받고,
스레드는 프로세스 안에서 스택 제외한 (코드/데이터/힙) 부분을 서로 공유해 읽고 쓸 수 있는 공유 자원으로 가진다.
프로세스는 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용하는데 반해,
스레드는 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용하는 차이가 존재함

1) 프로세스

OS는 프로세스마다 독립된 메모리 영역 (코드/데이터/스택/힙) 구조로 할당한다.
각 프로세스마다 독립된 메모리 영역을 할당해주기 때문에 프로세스가 다른 프로세스의 변수나 자료에 접근할 수 없다.

2) 스레드

스레드는 메모리를 서로 공유할 수 있다.
프로세스가 할당 받은 메모리 영역 내에서 스택 형식으로 할당된 메모리 영역은 따로 할당받고, (코드/데이터/힙) 형식으로 할당된 메모리 영역은 공유한다.
따라서 각 스레드는 별도의 스택은 가지고 있지만, 힙 메모리는 서로 공유해서 읽고 쓸 수 있게 된다.

멀티 프로그래밍/태스킹/프로세스/스레드 비교

멀티 프로그래밍

여러 프로그램이 동시에 실행될 수 있도록 하는 시스템

멀티 태스킹

하나의 CPU에서 여러 개의 작업을 처리
하나의 프로그램이 여러 작업을 동시에 실행되는 것처럼 보이도록 하는 시스템

멀티 프로세스

여러 개의 CPU가 동시에 사용되어 하나 이상의 프로그램을 병렬로 처리하는 것

멀티 스레드

하나의 프로세스 내에서 여러 실행 흐름이 동시에 진행될 수 있는 시스템

멀티 프로세스

여러 개의 프로세스(멀티 프로세스)를 통해 동시에 두 가지 일 수행할 수 있는 것
하나 이상의 일을 병렬로 처리 가능
특정 프로세스 일부에 문제 발생하더라도 다른 프로세스로 처리하면 되므로 신뢰성 높은 강점

장점

메모리 공유 X. 동기화 문제 X
하나의 프로세스에 문제 발생해도, 해당 프로세스 죽는 것으로 끝날 뿐 다른 프로세스에 영향X

단점

문맥 교환 시 오버헤드 크다.
프로세스간 자원 공유가 없기 때문에 IPC를 별도로 사용해야 함

⬛ IPC (Inter Process Communication)

프로세스는 독립적으로 실행된다.
이런 독립적 구조를 가진 프로세스들도 프로세스 간 통신을 해야 하는 상황이 있을 것이다.
이를 가능하게 해주는 것이 IPC 통신이다.
IPC : 프로세스끼리 데이터 주고받고 공유 데이터 관리하는 매커니즘

⬛ IPC의 종류

1) 익명 파이프 (unnamed PIPE)

두 프로세스를 연결하는 ‘파이프’를 통해 데이터를 읽기/쓰기 한다.
반이중 통신이라 한 프로세스는 쓰기만. 나머지는 읽기만 가능하다. (동시 X)
이름을 아는 부모-자식 관계에서만 사용 가능

2) 명명된 파이프 (named PIPE) : FIFO

이름을 모르는 프로세스와 통신을 위함
이름이 있는 파일을 이용해서 이름을 모르는 프로세스와의 통신이 가능하다.
하지만, 명명된 파이프 역시 읽기/쓰기 동시에 불가능하다.

3) 메시지 큐 (Message Queue) :FIFO

명명된 파이프처럼, FIFO 형태로 자료구조를 메모리 공간에 둬서, 여러 개의 프로세스가 동시에 데이터를 쉽게 다룰 수 있다.
차이점: 명명된 파이프는 데이터의 흐름, 메시지 큐는 메모리 공간

→ 파이프와 메시지 큐는 ‘통신’ 을 통해 다른 프로세스 간 데이터를 주고받는다면,

→ 공유 메모리는 프로세스 간 메모리 영역을 공유를 지원하여 데이터를 주고받을 수 있다.

4) 공유 메모리 (Shared Memory)

두 프로세스 간 메모리 영역을 공유해서 사용할 수 있도록 허용해준다.
중개자 없이 곧장 메모리에 접근 가능해서 IPC 중 가장 빨리 작동함

5) 소켓

네트워크 소켓 통신을 통해 데이터 공유를 한다.

6) 메모리 맵

공유 메모리처럼 메모리를 공유해준다. 현재 열려져 있는 파일을 공유하는 점에서 차이가 있습니다.
메모리 맵은 현재 열린 파일을 메모리에 매핑시켜 공유하는 방식이다.

이러한 IPC 통신에서 프로세스 간 데이터를 동기화하고 보호하기 위해 세마포어와 뮤텍스를 사용한다. (공유된 자원에 한번에 하나의 프로세스만 접근시킬 때)

멀티 스레드

한 프로세스 내의 작업을 여러 개의 스레드로 처리하는 기법
스레드끼리는 서로 자원을 공유하므로 효율성이 높다.

1) 하나의 프로세스에 ‘멀티 스레드’ : 동시성 높임

싱글 코어에서 멀티 스레드로 동시에 여러 작업 하는 것처럼 보이는 것

2) 여러 프로세스에 ‘멀티 스레드: 병렬성 높임

멀티 코어에서 실제로 여러 작업을 동시에 처리하는 것

장점

메모리 공유하기 때문에 시스템 자원 소모량 적다
문맥 교환 시 오버헤드 작다. 따라서 작업 처리 속도 빠르다.
스레드는 스택 제외 메모리를 공유하기 때문에 스레드간 통신 (ITC) 부담 적다

단점

스레드는 자원 공유를 하기 때문에 **동기화 문제 (병목 현상, 데드락)**가 생길 수 있다.

→ 이를 해결하려고 뮤텍스, 세마포어 활용함

하나의 스레드에 문제 발생 시, 그 스레드 포함하는 프로세스 전체에 영향
프로세스 밖에선 스레드 제어 불가능

⬛ 동기화 문제 (Synchronization Issue) 란?

스레드는 프레세스의 코드/데이터/힙 영역을 공유하므로,
여러 스레드가 함께 공유 변수 사용할 경우, 발생할 수 있는 충돌을 ‘동기화 문제’라고 한다.
스레드의 스케줄링은 운영체제가 관리해주지 않기 때문에 프로그래머가 적절한 기법을 직접 구현해야 한다.따라서 멀티 스레드 사용 시에는 신중할 것

멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

1) 멀티 스레드

멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간 차지하고, 문맥 교환이 빠르다.
단, 동기화 문제와 하나의 스레드 장애가 전체 스레드 종료로 이어질 위험을 갖는다.

2) 멀티 프로세스

멀티 프로세스는 하나의 프로세스가 죽어도 다른 프로세스에 영향 주지 않아 안정성 높지만,
멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간 차지한다.