Chapter 03 프로세스와 스레드

01 프로세스의 개요

1-1 프로세스의 개념

  프로그램

- 저장장치가 저장되어 있는 정적인 상태

- 프로그램은 설치되어 있는 것.

 

  프로세스

- 실행을 위해 메모리에 올라온 동적인 상태

- 메모리에 올라와서 실행이 된 프로그램

 

 

1-3 프로그램에서 프로세스로의 전환(프로그램→프로세스)

  프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

- 운영체제가 해당 프로세스를 위해 관리하는 자료구조(운영체제가 PCV를 표현한 것)

- 프로세스를 관리하기 위해 유지되는 데이터 블록 또는 레코드의 데이터 구조

• 프로세스 구분자 : 각 프로세스를 구분하는 구분자
• 메모리 관련 정보 : 프로세스의 메모리 위치 정보
• 각종 중간값 : 프로세스가 사용했던 중간값

 

  프로세스와 프로그램의 관계

- 프로그램이 프로세스가 된다는 것은 운영체제로부터 프로세스 제어 블록을 얻는다는 뜻

- 프로세스가 종료된다는 것은 해당 프로세스 제어 블록이 폐기된다는 뜻

• 프로세스 = 프로그램 + 프로세스 제어 블록(PCB)
• 프로그램 = 프로세스 - 프로세스 제어 블록(PCB)

 

1-4 프로세스의 상태

  프로세스의 네 가지 상태

- 생성 상태 : 프로세스가 메모리에 올라와 실행 준비를 완료한 상태

- 준비 상태 : 생성된 프로세스가 CPU를 얻을 때까지 기다리는 상태

- 실행 상태 : 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나가 CPU를 얻을 때까지 기다리는 상태

- 완료 상태 : 실행 상태의 프로세스가 주어진 시간 동안 작업을 마치면 진입하는 상태(PCB가 사라진 상태)

 

- 디스패치 : 준비 상태의 프로세스 중 하나를 골라 실행 상태로 바꾸는 CPU 스케줄러의 작업

- 타임아웃 : 프로세스가 자신에게 주어진 하나의 타임 슬라이스 동안 작업을 끝내지 못하면 다시 준비 상태로 돌아가는 것

 

  프로세스의 다섯 가지 상태

- 생성 상태 :

• 프로그램이 메모리에 올라오고 운영체제로부터 프로세스 제어 블록(PCB)을 할당받은 상태
• 생성된 프로세스는 바로 실행되는 것이 아니라 준비 상태에서 자기 순서를 기다리며, 프로세스 제어 블록(PCB)도 같이 준비 상태로 옮겨짐.

- 준비 상태 : 

• 실행 대기 중인 모든 프로세스가 자기 순서를 기다리는 상태
• 프로세스 제어 블록(PCB)은 준비 큐에서 기다리며 CPU 스케쥴러에 의해 관리
• CPU 스케쥴러는 준비 상태에서 큐를 몇 개 운영할지, 큐에 있는 어떤 프로세스의 프로세스 제어 블록(PCB)을 실행 상태로 보낼지 결정
• CPU 스케쥴러가 어떤 프로세스 제어 블록(PCB)을 선택하는 작업은 dispatch(PID) 명령으로 처리
• CPU 스케줄러가 dispatch(PID, 프로세스 구분자 <= PPID(부모) ⊂ CPID(자식))를 실행하면 해당 프로세스가 준비상태에서 실행상태로 바뀌어 작업이 이루어짐

- 실행 상태 : 

• 프로세스가 CPU를 할당받아 실행되는 상태
• 실행 상태에 있는 프로세스는 자신에게 주어진 시간, 즉 타임 슬라이스 동안만 작업 할 수 있음
• 그 시간을 다 사용하면 timeout(PID)가 실행되어 실행 상태에서 준비 상태로 옮김
• 실행 상태 동안 작업이 완료되면 exit(PID)가 실행되는 프로세스 정상 종료
• 실행 상태에 있는 프로세스가 입출력을 요청하면 CPU는 입출력 관리자에게 입출력을 요청하고 block(PID)를 실행
• block(PID)는 입출력이 완료될 때까지 작업을 진행할 수 없기 때문에 해당 프로세스를 대기 상태로 옮기고 CPU 스케쥴러는 새로운 프로세스를 실행 상태로 가져옴

- 대기 상태 : 

• 실행 상태에 있는 프로세스가 입출력을 요청하면 입출력이 완료될 때까지 기다리는 상태
• 대기 상태의 프로세스는 입출력장치별로 마련된 큐에서 기다리다가 완료되면 인터럽트가 발생하고, 대기 상태에 있는 여러 프로세스 중 해당 인터럽트로 깨어날 프로세스를 찾는데 이것이 wakeup(PID)
• wakeup(PID)로 해당 프로세스의 프로세스 제어 블록(PCB)이 준비 상태로 이동

- 완료 상태 : 

• 프로세스가 종료된 상태
• 코드와 사용했던 데이터를 메모리에서 삭제하고 프로세스 제어 블록(PCB)을 폐기
• 정상적인 종료는 간단히 exit( )로 처리
• 오류나 다른 프로세스에 의해 비정상적으로 종료되는 강제 종료를 만나면 디버깅하기 위해 종료 직전의 메모리 상태를 저장장치로 옮기는데 이를 코어 덤프(core dump)라고 함

  휴식 상태

- 프로세스가 작업을 일시적으로 쉬고 있는 상태

- 유닉스에서 프로그램을 실행하는 동중에 [Ctrl] + [Z] 키를 누르면 볼 수 있음

- 종료 상태가 아니기 때문에 원할 때 다시 시작할 수 있는 상태

 

  보류 상태

- 프로세스가 메모리에서 잠시 쫓겨난 상태

- 프로세스가 다음과 같은 경우에 보류 상태가 됨

• 메모리가 꽉 차서 일부 프로세스를 메모리 밖으로 내보낼 때
• 프로그램에 오류가 있어서 실행을 미루어야 할 때
• 매우 긴 주기로 반복되는 프로세스라 메모리 밖으로 쫓아내도 큰 문제가 없을 때
• 입출력을 기다리는 프로세스의 입출력이 계속 지연될 때

  보류 상태를 포함한 프로세스의 상태

 

 

02 프로세스 제어 블록과 문맥 교환

2-1 프로세스 제어 블록

  프로세스 제어 블록(PCB)

- 프로세스를 실행하는 데 필요한 중요한 정보를 보관하는 자료 구조

- 프로세스는 고유의 프로세스 제어 블록을 가짐

- 프로세스 생성 시 만들어져서 프로세스가 실행을 완료하면 폐기

 

  프로세스 제어 블록의 구성

포인터 : 준비 상태나 대기 상태의 큐를 구현할 때 사용

- 대기 상태에는 같은 입출력을 요구한 프로세스끼리 연결할 때 포인터 사용

프로세스 상태 : 프로세스가 현재 어떤 상태에 있는지를 나타내는 정보

프로세스 구분자 : 운영체제 내에 있는 여러 프로세스를 구현하기 위한 구분자

- 메모리에는 여러개의 프로세스가 존재하므로 각 프로세스를 구분하는 구분자(Identification, ID)가 필요하다.

프로그램 카운터 : 다음에 실행될 명령어의 위치를 가리키는 프로그램 카운터의 값

프로세스 우선순위 : 프로세스의 실행 순서를 결정하는 우선순위

각종 레지스터 정보 : 프로세스가 실행되는 중에 사용하던 레지스터의 값

메모리 관리 정보 : 프로세스가 메모리의 어디에 있는지 나타내는 메모리 위치 정보, 메모리 보호를 위해 사용하는 경계 레지스터 값과 한계 레지스터 값 등

할당된 자원 정보 : 프로세스를 실행하기 위해 사용하는 입출력 자원이나 오픈 파일 등에 대한 정보

계정 정보 : 계정 번호, CPU 할당 시간, CPU 사용 시간 등

부모 프로세스 구분자와 자식 프로세스 구분자 : 부모 프로세스를 가리키는 PPID와 자식 프로세스를 가리키는 CPID 정보

 

 

2-2 문맥 교환

  문맥 교환

- CPU를 차지하던 프로세스가 나가고 새로운 프로세스를 받아들이는 작업

- 실행 상태에서 나가는 프로세스 제어 블록에는 지금까지의 작업 내용을 저장하고, 반대로 실행 상태로 들어오는 프로세스 제어블록의 내용으로 CPU가 다시 세팅

 

03 프로세스의 연산

3-1 프로세스의 구조

  프로세스의 구조

  코드 영역 : 

- 프로그램의 본문이 기술된 곳

- 프로그래머가 작성한 코드가 탑재되며 탑재된 코드는 읽기 전용으로 처리됨

  데이터 영역 : 

- 코드가 실행되면서 사용하는 변수나 파일 등의 각종 데이터를 모아놓은 곳

- 데이터는 변하는 값이기 때문에 이곳의 내용은 기본적으로 읽기와 쓰기가 가능

  스택 영역 : 

- 운영체제가 프로세스를 실행하기 위해 부수적으로 필요한 데이터를 모아놓은 곳

- 프로새스 내에서 함수를 호출하면 함수를 수행하고 원래 프로그램으로 되돌아올 위치를 이 영역에 저장

 

 

3-2 프로세스의 생성과 복사(fork)

  fork( ) 시스템 호출의 개념

- 실행 중인 프로세스로부터 새로운 프로세스를 복사하는 함수

- 실행 중인 프로세스와 똑같은 프로세스가 하나 더 만들어짐

- fork( )를 통해 프로세스를 복사할 때, 실행하던 프로세스는 부모 프로세스, 새로 생긴 프로세스는 자식 프로세스로 부모-자식 관계가 된다.

 

  fork( ) 시스템 호출의 동작 과정

- fork( ) 시스템 호출을 하면 프로세스 제어 블록을 포함한 부모 프로세스 영역의 대부분이 자식 프로세스 복사되어 똑같은 프로세스가 만들어짐

- 단, 프로세스 제어 블록의 내용 중 다음이 변경됨

• 프로세스 구분자
• 메모리 관련 정보
• 부모 프로세스 구분자와 자식 프로세스 구분자

  fork( ) 시스템 호출의 장점

- 프로세스의 생성 속도가 빠름

- 추가 작업 없이 자원을 상속할 수 있음

- 시스템 관리를 효율적으로 할 수 있음

 

  fork( ) 시스템 호출의 예

- 부모 프로세스의 코드가 실행되어 fork( ) 문을 만나면 똑같은 내용의 자식 프로세스를 하나 생성

- 이 때 fork( ) 문은 부모 프로세스에 0보다 큰 값을 반환하고 자식 프로세스에 0을 반환

- 만약 -보다 작은 값을 반환하면 자식 프로세스가 생성되지 않은 것으로 여겨 'Error'를 출력

 

3-3 프로세스의 전환

  exec( ) 시스템 호출의 개념

- 기존에 프로세스를 새로운 프로세스로 전환(재사용)하는 함수

• fork( ) : 새로운 프로세스를 복사하는 시스템 호출
• exec( ) : 프로세스는 그대로 둔 채 내용만 바꾸는 시스템 호출(이미 만들어진 프로세스의 구조를 재활용하는 것)

  exec( ) 시스템 호출의 동작 과정

- exec( ) 시스템 호출을 하면 코드 영역에 있는 기존의 내용을 지우고 새로운 코드로 바꿔버림

- 데이터 영역이 새로운 변수로 채워지고 스택 영역이 리셋

- 프로세스 제어 블록의 내용 중 프로세스 구분자, 부모 프로세스 구분자, 자식 프로세스 구분자, 메모리 관련 사항 등은 변하지 않지만 프로그램 카운터 레지스터 값을 비롯한 각종 레지스터와 사용한 파일 정보가 모두 리셋

  exec( ) 시스템 호출의 예

- 부모 프로세스의 fork( ) 문을 실행하여 자식 프로세스를 생성하고, wait( ) 문을 실행하여 자식 프로세스가 끝날 때까지 기다림

- 새로 생성된 자식 프로세스는 부모 프로세스의 코드와 같음

- exec( ) 시스템 호출을 사용하여 새로운 프로세스로 전환하더라도 프로세스 제어 블록의 각종 프로세스 구분자(PID, PPID, CPID)가 변경되지 않기 때문에, 프로세스가 종료된 후 부모 프로세스로 돌아올 수 있음

3-4 프로세스의 계층 구조

  유닉스의 프로세스 계층 구조

- 유닉스의 모든 프로세스는 init 프로세스의 자식이 되어 트리 구조를 이룸

  프로세스 계층 구조의 장점

- 여러 작업을 동시에 처리할 수 있다

- 프로세스의 재사용이 용이하다

- 자원 회수가 쉽다

• 프로세스를 계층 구조로 만들면 프로세스 간의 책임 관계가 분명해져서 시스템을 관리하기가 수월

  미아 프로세스

- 프로세스가 종료된 후에도 비정상적으로 남아 있는 프로세스

- C 언어의 exit( ) 또는 return( ) 문은 자식 프로세스가 작업이 끝났음을 부모 프로세스에 알리는 것으로 미아 프로세스 발생을 미연에 방지함

- 부모 프로세스는 미아 프로세스가 발생되는 것을 막기 위해 wait( ) 시스템 호출을 사용한다.

04 스레드

4-1 스레드의 개념

  스레드의 정의

- CPU 스케쥴러가 CPU에 전달하는 일 하나

- CPU가 처리하는 작업의 단위는 프로세스로부터 전달받은 스레드

• 운영체제 입장에서의 작업 단위는 프로세스
• CPU 입장에서의 작업 단위는 스레드

스레드: 프로세스의 코드에 정의된 절차에 따라 CPU에 작업 요청을 하는 실행 단위.

 

  프로세스와 스레드의 차이

- 프로세스끼리는 약하게 연결되어 있는 반면 스레드끼리는 강하게 연결되어 있음

 

  멀티태스크와 멀티스레드의 차이

- 멀티태스크 : 여러 개의 프로세스로 구성된 것

- 멀티스레드 : 하나의 프로세스에 여러 개의 스레드로 구성된 것

  멀티스레드

- 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 분할함으로써 작업의 부담을 줄이는 프로세스 운영 기법

 

  멀티태스킹

- 운영체제가 CPU에 작업을 줄 때 시간을 잘게 나누어 배분하는 기법

 

  멀티프로세싱

- CPU를 여러 개 사용하여 여러 개의 스레드를 동시에 처리하는 작업 환경

 

4-2 멀티스레드의 구조와 예

  멀티태스킹의 낭비 요소

- fork( ) 시스템 호출로 프로세스를 복사하면 코드 영역과 데이터 영역의 일부가 메모리에 중복되어 존재하며, 부모-자식 관계이지만 서로 독립적인 프로세스이므로 이러한 낭비 요소를 제거할 수 없음

   멀티태스킹과 멀티스레드의 차이

- fork( ) 시스템 호출로 여러 개의 프로세스를 만들면 필요없는 정적 영역이 여러 개가 됨

- 멀티스레드는 코드, 파일 등의 자원을 공유함으로써 자원의 낭비를 막고 효율성 향상

 

4-3 멀티스레드의 장단점

  멀티스레드의 장점

- 응답성 향상

- 자원 공유

- 효율성 향상

- 다중 CPU 지원

 

  멀티스레드의 단점

- 모든 스레드가 자원을 공유하기 때문에 한 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스에 영향을 미침

- 인터넷 익스플로어에서 여러개의 화면을 동시에 띄웠는데 그 중 하나에 문제가 생기면 인터넷 익스플로어 전체가 종료

 

4-4 멀티스레드 모델

  커널 스레드와 사용자 스레드

- 커널 스레드 : 커널이 직접 생성하고 관리하는 스레드

- 사용자 스레드 : 라이브러리에 의해 구현된 일반적인 스레드

 

  사용자 레벨 스레드

- 사용자 프로세스 내에 여러 개의 스레드가 커널의 스레드 하나와 연결(1 to N 모델)

- 라이브러리가 직접 스케줄링을 하고 작업에 필요한 정보를 처리하기 때문에 문맥 교환이 필요 없음

- 커널 스레드가 입출력 작업을 위해 대기 상태에 들어가면 모든 사용자 스레드가 같이 대기하게 됨

- 한 프로세스의 타임 슬라이스를 여러 스레드가 공유하기 때문에 여러 개의 CPU를 동시에 사용할 수 없음

 

  커널 레벨 스레드

- 하나의 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결(1 to 1 모델)

- 독립적으로 스케줄링이 되므로 특정 스레드가 대기 상태에 들어가도 다른 스레드는 작업을 계속할 수 있음

- 커널 레벨에서 모든 작업을 지원하기 때문에 멀티 CPU를 사용할 수 있음

- 하나의 스레드가 대기 상태에 있어도 다른 스레드는 작업을 계속할 수 있음

- 커널의 기능을 사용하므로 보안에 강하고 안정적으로 작동

- 문맥 교환할 때 오버헤드 때문에 느리게 작동

  멀티레벨 스레드

- 사용자 레벨 스레드와 커널 레벨 스레드를 혼합한 방식(M to N 모델)

- 커널 스레드가 대기 상태에 들어가면 다른 커널 스레드가 대신 작업을 하여 사용자 레벨 스레드보다 유연하게 작업을 처리할 수 있음

- 커널 레벨 스레드를 같이 사용하기 때문에 여전히 문맥 교환 시 오버헤드가 있어 사용자 레벨 스레드만큼 빠르지 않음

- 빠르게 움직여야 하는 스레드는 사용자 레벨 스레드로 작동하고, 안정적으로 움직여야 하는 스레드는 커널 레벨 스레드로 작동