[혼공학습단 12기] 10장, 프로세스와 스레드

[ 프로세스 ]

정의 : 실행 중인 프로그램

윈도우 - 작업관리자 탭에서 볼 수 있다.

사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스 (=포그라운드 프로세스) , 사용자가 보지 못하는 뒤편에서 실행되는 프로세스 (=백그라운드 프로세스)로 나누어진다.

백그라운드 프로세스는 다시 사용자와 상호작용하느냐 안 하냐에 따라 갈라지며, 사용자와 상호작용하지 않는 프로세스를 데몬 및 서비스라 부른다. 

 

[ 프로세스 제어 블록(PCB) ]

프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료구조 ( = 상품에 달린 태그 )

 

- 운영체제는 번갈아 수행되는 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 프로세스에 CPU를 비롯한 자원을 배분하면서 PCB를 이용한다.

- 커널 영역에 생성된다.

- 프로세스 생성 시에 만들어지고 실행이 끝나면 폐기된다.

 

담기는 정보

1. 프로세스 ID(PID)

작업 관리자-상태 바에서 확인 가능하다. 신기!

특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호 ( = 학번, 사번 )

- 같은 일을 수행하는 프로그램이어도 두 번 실행하면 PID가 다른 두 개의 프로세스가 생성된다.

 

2. 레지스터 값

프로세스가 실행하며 사용했던 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터 값들

- 진행했던 작업들을 이어 실행하기 위해서, 실행 차례가 돌아오면 이전까지 사용했던 레지스터의 중간값을 모두 복원

 

3. 프로세스 상태

프로세스 상태 정보

- (ex. 프로세스가 입출력장치를 사용하기 위해 기다리고 있는지, CPU를 이용하기 위해 기다리고 있는지..)

 

4. CPU 스케줄링 정보

프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보

 

5. 메모리 관리 정보

프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보

- 베이스 레지스터, 한계 레지스터 값, 페이지 테이블 정보 등이 담긴다.

 

6. 사용한 파일과 입출력장치 목록

어떤 입출력 장치가 이 프로세스에 할당되었는지, 어떤 파일을 열었는지에 대한 정보

- 실행 과정에서 특정 입출력 장치나 파일을 사용하면 해당 내용이 명시된다.

 

[ 문맥 교환 ]

[ 문맥 ] 

하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보

- PCB에 기록되는 정보들

- 실행 문맥을 잘 기억해두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있다.

 

- 이처럼 기존 프로세스의 문맥을 PCB에 백업하고, 새로운 프로세스를 실행하기 위해 문맥을 PCB로부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행한다. 

- 문맥 교환이 너무 자주 일어나면, 오버헤드가 발생할 수 있다.

 

[ 프로세스의 메모리 영역 ]

하나의 프로세스는 크게 코드 영역, 데이터 영역, 합 영역, 스택 영역으로 나뉘어 저장된다. 

 

1. 코드 영역 ( = 텍스트 영역 )

- 실행할 수 있는 코드, 명령어가 저장된다.

- 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담겨 있어 읽기 전용 공간이다.

 

2. 데이터 영역

- 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간이다.

 

코드, 데이터 영역은 프로그램을 구성하는 명령어들이 갑자기 변경되는 일이 없기 때문에 정적 할당 영역이라 부른다.

 

3. 합 영역

- 사용자가 직접 할당할 수 있는 저장 공간

- 메모리 공간을 할당한다면 언젠가 그 공간을 반환해야 한다. (반환 안 하면 공간이 낭비돼 메모리 누수 발생)

 

4. 스택 영역

- 데이터를 일시적으로 저장하는 공간

- 함수의 실행이 끝나면 사라지는 매개 변수, 지역 변수가 대표적

 

합, 스택 영역은 프로그램을 실행하는 과정에서 크기가 변할 수 있기 때문에 동적 할당 영역이라 부른다.

 

[ 프로세스 상태 ]

출처 : IT 위키

1. 생성 상태

- 프로세스를 생성 중인 상태

- 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태

- 곧바로 실행되지 않고 준비 상태가 되어 CPU 할당을 기다린다.

 

2. 준비 상태

- 당장 CPU를 할당받아 실행할 수 있지만, 아직 자신의 차례가 아니어서 기다리는 상태

- 차례가 되면 실행 된다.

 

3. 실행 상태

- CPU를 할당받아 실행 중인 상태

- 할당된 일정 시간 동안만 이용 가능하다

- 할당한 시간을 전부 사용하면 다시 준비 상태가 된다.

 

4. 대기 상태

- 입출력장치의 작업을 기다리는 중인 상태

- 입출력 작업이 완료되면 다시 준비 상태로 돌아가 CPU 할당을 기다린다.

 

5. 종료 상태

- 프로세스가 종료된 상태

- 프로세스가 종료되면, 운영체제는 PCB와 프로세스가 사용한 메모리를 정리한다. 

 

[ 프로세스 계층 구조 ]

- 프로세스가 프로세스를 낳는 계층적인 구조로 프로세스를 관리하는 트리 구조

실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있는데, 여기서 새로운 프로세스를 부모 프로세스, 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다. 

- 부모, 자식 프로세스는 각기 다른 PID를 가진다. 

- 자식 프로세스는 실행 과정에서 또 다른 자식 프로세스를 실행하거나 생성할 수 있다.

[ 프로세스 생성 기법 ]

- 복제와 옷 갈아입기 과정을 통해 수행

- 자기 자신 프로세스의 복사본을 만드는 시스템 호출인 fork로 자신의 복사본을 만들어 자식 프로세스를 생성한다.

( 부모 프로세스의 자원들, 메모리의 내용, 열린 파일의 목록 등이 자신 프로세스에 상속 )

- 자식 프로세스는 exec를 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체한다.

( 코드 영역과 데이터 영역의 내용이 실행할 프로그램의 내용으로 바뀌고, 나머지 영역은 초기화 )

 

[ 스레드 ]

정의 및 기능

- 프로세스를 구성하는 실행의 흐름 단위

- 스레드를 이용하면 하나의 프로세스에서 여러 부분을 동시에 실행할 수 있다.

 

특징 

- 하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있다.

- 프로세스의 자원을 공유한다는 것이 스레드의 핵심

- 프로세스는 기본적으로 자원을 공유하지 않지만, 스레드끼리는 같은 프로세스 내의 자원을 공유함

 

단일 스레드 프로세스  

- 하나의 프로세스가 한 번에 하나의 일만을 처리하는 것 

- 실행에 필요한 최소한의 정보(프로그램 카운터를 포함한 레지스터나 스택)만을 유지한 채 프로세스 자원을 공유하며 실행됨. 

멀티 스레드 프로세스

여러 프로세스를 동시에 실행하는 것 → 멀티 프로세스

여러 스레드로 프로세스를 동시에 실행하는 것 → 멀티 스레드

단일 프로세스와 멀티 프로세스의 차이

단일 프로세스는요...

프로세스에 fork를 해 같은 작업을 하는 동안 동일한 프로세스 두 개를 동시에 실행하면, 코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역 등을 비롯한 모든 자원이 복제되어 메모리에 적재됨.

같은 프로세스를 2번3번 통쨰로 반복해서 적재시키는 건 낭비임. ⇒ 동일한 내용들이 중복해서 존재하는 거니까!

멀티 프로세스는요...

각기 다른 스레드 ID, 프로그램 카운터 값을 포함한 레지스터 값, 스택 빼고 프로세스가 가지고 있는 자원을 공유함.

⇒ 같은 프로세스 내의 모든 스레드는 동일한 주소 공간의 코드, 데이터, 힙 영역을 공유하고, 열린 파일과 같은 프로세스 자원을 공유하기 때문에

1. 여러 프로세스를 병행 실행하는 것보다 메모리를 효율적으로 사용할 수 있다.

2. 프로세스의 자원을 공유하기 때문에 협력과 통신에 유리하다. 

이건 단점이기도 한데,

하나의 스레드가 문제가 생기면 프로세스 전체에 문제가 생길 수 있다.

⇒ 모든 스레드는 프로세스의 자원을 공유하고, 하나의 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드도 영향을 받으니까!

 

304p 1번 1. 생성 2. 준비 3. 실행 4. 대기 5. 종료