[운영체제] 프로세스와 스레드

프로세스와 스레드

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실행 중인 프로그램, 프로세스

프로세스 직접 확인하기

- 포그라운드 프로세스 (foreground process)

사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스(ex. 웹브라우저, 게임, 메모장 등)

- 백그라운드 프로세스 (background process)

사용자가 볼 수 없는 공간에서 실행되는 프로세스
사용자와 직접 상호작용이 가능한 백그라운드 프로세스
사용자와 상호작용하지 않고 그저 정해진 일만 수행하는 프로세스 (데몬, 서비스)

프로세스 제어 블록 (PCB)

- 모든 프로세스는 실행을 위해 CPU가 필요하다
- 그러나 CPU 자원은 한정되어 있다.
- 프로세스들은 돌아가며 한정된 시간 만큼만 CPU 이용
  - 자신의 차례에 정해진 시간만큼 CPU 이용
  - 타이머 인터럽트가 발생하면 차례 양보
- 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스들을 관리해야 한다.
- 이를 위해 사용하는 자료구조가 프로세스 제어 블록 (이하 PCB)
  - 프로세스 관련 정보를 저장하는 자료구조
  - 마치 상품에 달린 태그와 같은 정보
  - 프로세스 생성 시 커널 영역에 생성, 종료 시 폐기

PCB에 담기는 대표적인 정보 (운영체제마다 차이가 있음)

- 프로세스 ID (=PID)
  - 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호 (학번, 사번과 비슷)
- 레지스터 값
  - 프로세스는 자신의 실행 차례가 오면 이전까지 사용한 레지스터 중간 값을 모두 복원 -> 실행 재개
  - 프로그램 카운터, 스택 포인터 등
- 프로세스 상태
  - 입출력 장치를 사용하기 위해 기다리는 상태, CPU를 사용하기 위해 기다리는 상태, CPU 이용 중인 상태 등
- CPU 스케줄링 정보
  - 프로세스가 언제 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보 
- 메모리 정보
  - 프로세스가 어느 주소에 저장되어 이는지에 대한 정보
  - 페이지 테이블 정보 (지금으로서는 '메모리 주소를 알 수 있는 정보가 담기는구나' 정도로 이해)
- 사용한 파일과 입출력장치 정보
  - 할당된 입출력장치, 사용 중인 파일 정보

운영체제는 커널 영역에 적재된 PCB을 보고 프로세스를 관리

문맥 교환 (Context switch)

- 한 프로세스(A)에서 다른 프로세스(B)로 실행 순서가 넘어가면?
- 기존에 실행되던 프로세스 A는 지금까지의 중간 정보를 백업
  - 프로그램 카운터 등 각종 레지스터 값, 메모리 정보, 열었던 파일, 사용한 입출력장치 등
  - 이러한 중간 정보 == 문맥(context)
  - 다음 차례가 왔을 때 실행을 재개하기 위한 정보
  - "실행 문맥을 백업해두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있다"
- 뒤이어 실행할 프로세스 B의 문맥을 복구
  - 자연스럽게 실행 중인 프로세스가 바뀜
- 이처럼 기존에 실행 중인 프로세스 문맥을 백업하고 새로운 프로세스 실행을 위해 문맥을 복구하는 과정을 문맥 교환(context switching)이라고 한다.
  - 여러 프로세스가 끊임없이 빠르게 번갈아 가며 실행되는 원리

프로세스의 메모리 영역

- 크게 코드 영역 (텍스트 영역), 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역
- 코드 영역 및 데이터 영역은 정적 할당 영역

-코드 영역 ( = 텍스트 영역)
  - 실행할 수 있는 코드, 기계어로 이루어진 명령어 저장
  - 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담기기에 쓰기가 금지된 영역 (read-only)

- 데이터 영역
  - 잠깐 썼다가 없앨 데이터가 아니라, 전역변수 등 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터 저장

- 힙 영역
  - 프로그램을 만드는 사용자, 즉 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장공간

- 스택 영역
  - 데이터가 일시적으로 저장되는 공간
  - 데이터 영역에 담기는 값과는 달리 잠깐 쓰다가 말 값들이 저장되는 공간
  - 매개 변수, 지역 변수 등

- 힙 영역과 스택 영역의 크기는 가변적
  - 일반적으로 힙 영역은 낮은 주소 -> 높은 주소로 할당
  - 일반적으로 스택 영역은 높은 주소 -> 낮은 주소로 할당

 

프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태  (프로세스 상태는 운영체제마다 조금씩 차이가 있음)

- 생성 상태
  - 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당 받은 상태
  - 준비가 완료되었다면 준비 상태로

- 준비 상태
  - 당장이라도 CPU를 할당 받아 실행할 수 있지만 자신의 차례가 아니기에 기다리는 상태
  - 자신의 차례가 된다면 실행 상태로 (=디스패치)

- 실행 상태
  - CPU를 할당 받아 실행 중인 상태
  - 할당된 시간 모두 사용 시(타이머 인터럽트 발생 시) 준비 상태로
  - 실행 도중 입출력장치를 사용하면 입출력 작업이 끝날 때까지 대기 상태로

- 대기 상태
  - 프로세스가 실행 도중 입출력장치를 사용하는 경우 입출력 작업은 CPU에 비해 느리기에 이 경우 대기 상태로 접어듦
  - 입출력 작업이 끝나면 (입출력 완료 인터럽트를 받으면) 준비 상태로

- 종료 상태
  - 프로세스가 종료된 상태
  - PCB, 프로세스의 메모리 영역 정리

프로세스 계층 구조

- 프로세스 실행 도중 (시스템 호출을 통해) 다른 프로세스 생성 가능
- 새 프로세스를 생성한 프로세스: 부모 프로세스
- 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스: 자식 프로세스
- 부모 프로세스와 자식 프로세스는 별개의 프로세스이므로 각기 다른 PID를 가짐
- 일부 운영체제에서는 자식 프로세스 PCB에 부모 프로세스 PID(PPID)를 명시하기도
- 자식 프로세스는 또 다른 자식 프로세스를 낳을 수 있음 -> 프로세스의 계층적인 구조 형성

프로세스 생성 기법

- 부모 프로세스는 자식 프로세스를 어떻게 만들어 내고, 자식 프로세스는 어떻게 자신만의 코드를 실행할까?

-> 복제와 옷 갈아입기

- 부모 프로세스는 fork 시스템 호출을 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성
- 자식 프로세스는 exec 시스템 호출을 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체

fork 시스템 호출

- 복사본 (=자식 프로세스) 생성
- 부모 프로세스의 자원 상속

exec 시스템 호출

- 자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰는 시스템 호출
- 코드/데이터 영역은 실행할 프로그램 내용으로 바뀌고 나머지 영역은 초기화

스레드

- 스레드 (thread)는 프로세스를 구성하는 실행 흐름의 단위
- 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있음
- 한 프로세스를 여러 개의 스레드로 동시에 실행할 수 있음

실행 흐름이 하나인 프로세스 (단일 스레드 프로세스)

실행 흐름이 여러 개인 프로세스 (멀티 스레드 프로세스)
-> 프로세스를 이루는 여러 명령어 동시 실행 가능

 

스레드의 구성 요소

- 스레드 ID, 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터 값, 스택 등 실행에 필요한 최소한의 정보

- 모든 실행은 프로세스의 자원을 공유하며 이루어짐

멀티 프로세스와 멀티 스레드

동일한 작업을 수행하는 단일 스레드 프로세스 여러 개 실행 vs 하나의 프로세스를 여러 스레드로 실행

- 프로세스를 fork하면 코드/데이터/힙 영역 등 모든 자원이 복제되어 저장됨
- 저장된 메모리 주소를 제외하면 모든 것이 동일한 프로세스 두 개가 통째로 메모리에 적재
- fork를 세 번 네 번하면 메모리에는 같은 프로세스가 통째로 세 개 네 개 적재
- 프로세스끼리는 자원을 공유하지 않는다
- 스레드들은 각기 다른 스레드 ID, (별도의 실행을 위해 꼭 필요한) 프로그램 카운터 값을 포함한 레지스터 값, 스택을 가질 뿐 프로세스가 가지는 자원을 공유

- 프로세스끼리는 자원을 공유하지 않는다 -> 남남처럼 독립적으로 실행된다
- 스레드는 프로세스의 자원을 공유한다 -> 협력과 통신에 유리하다

- 프로세스끼리는 자원을 공유하지 않는다고 했지만, 스레드만큼 유리하지 않을 뿐 공유할 수는 있다. 
  - 프로세스 간 통신(IPC)
  - 파일을 통한 프로세스 간 통신, 공유 메모리를 통한 프로세스 간 통신