운영체제 Day9 (프로세스와 스레드)

프로세스 개요

프로세스 직접 확인하기

컴퓨터가 부팅되는 순간부터 수많은 프로세스들이 실행된다.

• 포그라운드 프로세스

사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행되는 프로세스를 말한다.

• 백그라운드 프로세스

백그라운드 프로세스 중에는 사용자와 직접 상호작용할 수 있는 백그라운드 프로세스도 있지만, 정해진 일만 수행하는 백그라운드 프로세스도 있다. 유닉스 체계의 운영체제에서는 데몬이라 부르며, 윈도우 운영체제에서는 서비스라고 부른다.

프로세스 제어 블록

모든 프로세스는 실행을 위해 CPU를 필요로 하지만 CPU의 자원은 한정되어 있다. 그렇기 때문에 프로세스는 자신의 차례가 되면 정해진 시간만큼 CPU를 이용하고, 시간이 끝났음을 알리는 인터럽트가 발생하면 차례를 양보하고 다음 차례가 올 때까지 기다린다.

운영체제는 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 프로세스에 CPU를 비롯한 자원을 배분한다. 이를 위해 필요한것이 프로세스 제어 블록(PBC)이다.

• 프로세스 제어 블록

프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료 구조이다.

커널영역에 생성되며 수많은 프로세스들 사이에서 PCB로 특정 프로세스를 식별하고 해당 프로세스를 처리하는 데 필요한 정보를 판단한다. PCB는 프로세스 생성 시에 만들어지고 실행이 끝나면 폐기된다.

- 프로세스 ID
프로세스 ID(PID)는 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유 번호 이다. 같은 일을 수행하는 프로그램이라 할지라도 두번 실행하면 PID가 다른 두개가 생성된다.

- 레지스터 값
프로세스는 자신의 실행 차례가 돌아오면 이전에 진행했던 작업들을 그대로 이어 실행 하기 위해 이전까지 사용했던 레지스터의 중간값들을 모두 복원한다. 그래서 PCB 안에는 해당 프로세스가 실행하며 사용했던 프로그램 카운터를 비롯한 레지스터 값이 담긴다.

- 프로세스 상태
현재 프로세스가 입출력장치를 사용하기 위해 기다리고 있는 상태인지, CPU를 사용하기 위해 기다리고 있는 상태인지, 아니면 CPU를 이용하고 있는 상태인지 등의 프로세스 상태 정보가 PCB에 저장된다.

-CPU 스케줄링 정보
프로세스가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받을지에 대한 정보로 PCB에 기록된다.

- 메모리 관리 정보
프로세스마다 메모리에 저장된 위치가 다르다. 그래서 PCB에는 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보가 있어야 한다.

- 사용한 파일과 입출력장치 목록
프로세스가 실행 과정에서 특정 입출력장치나 파일을 사용하면 PCB에 해당 내용이 명시된다.

문맥교환

하나의 프로세스에서 다른 프로세스로 실행 순서가 넘어가는 경우 지금까지의 중간 정보를 백업해야 한다. 이러한 중간 정보 즉 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보를 문맥이라고 한다. 실행 문맥을 잘 기억해 두면 언제든 해당 프로세스의 실행을 재개할 수 있다. 그렇기 때문에 프로세스가 CPU를 사용할 수 있는 시간이 다 되거나 예기치 못한 상황이 발생하여 인터럽트가 발생하면 운영체제는 해당 프로세스의 문맥을 PCB에 백업한다.

문맥교환이 빨리 번갈아 가며 수행되기 때문에 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보인다.

프로세스의 메모리 영역

하나의 프로세스는 사용자 영역에 크게 코드영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역으로 나뉘어 저장된다.

• 코드 영역

텍스특 영이라고도 하며 실행할 수 있는 코드 즉 기계어로 이루어진 명령어가 저장된다. 코드 영역에는 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담겨 있기 때문에 읽기 전용 공간이다.

• 데이터 영역

데이터 영역은 잠깐 썼다가 없앨 데이터가 아닌 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간이다. 전역 변수가 대표적이다. 코드 영역과 데이터 영역은 크기가 고정된 영역이라는 점에서 정적 할당 영역이라고 부른다. 반면 힙 영역과 스택 영역은 프로세스 실행 과정에서 그 크기가 변할 수 있는 영역이다. 그래스 이 영역을 동적 할당 영역이라고 한다.

• 힙 영역

힙 영역은 프로그램을 만드는 사용자가 직접 할당할 수 있는 저장 공간이다. 프로그래밍 과정에서 힙 영역에 메모리 공간을 할당했다면 언젠가는 해당 공간을 반환해야 한다. 메모리 공간을 반환하지 않는다면 메모리 누수가 발생할 수 있다.

• 스택 영역

스택 영역은 데이터를 일시적으로 저장하는 공간이다. 데이터 영역에 담기는 값과는 달리 잠깐 쓰다가 말 값들이 저장되는 공간이다. 함수의 실행이 끝나면 사라지는 매개 변수, 지역 변수가 대표적이다.

프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

• 생성 상태

프로세스 생성 중인 상태를 생성 상태라고 한다. 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당 받은 상태를 말한다. 생성 상태를 거쳐 실행할 준비가 완료된 프로세스는 곧바로 실행되지 않고 준비 상태가 되어 CPU의 할당을 기다린다.

• 준비 상태

당장이라도 CPU를 할당받아 실행할 수 있지만, 차례가 될때까지 기다리고 있는 상태이다. CPU를 할당받아 실행 상태가 된다.

• 실행 상태

실행 상태인 프로세스는 할당된 일정 시간 동안만 CPU를 사용할 수 있다. 할당된 시간을 모두 사용한다면 다시 준비 상태가 되고, 실행 도중 입출력장치를 사용하여 입출력 장치의 작업이 끝날 때까지 기다려야 한다면 대기 상태가 된다.

• 대기 상태

프로세스는 실행 도중 입출력장치를 사용하는 경우가 있다. 입출력 작업은 CPU에 비해 처리 속도가 느리기에, 입출력 작업을 요청한 프로세스는 입출력장치가 입출력을 끝낼 떄까지 기다려야 한다.

• 종료 상태

종료 상태는 프로세스가 종료된 상태이다. 프로세스가 종료되면 운영체제는 PCB와 프로세스가 사용한 메모리를 정리한다.

프로세스 계층 구조

프로세스는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있다. 이때 새 프로세스를 생성한 프로세스를 부모 프로세스, 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다. 두 프로세스는 다른 프로세스이기 때문에 다른 PID를 가진다.

예를 들어 사용자가 컴퓨터를 켜고 로그인 창을 통해 성공적으로 로그인 해서 bash 셀(사용자 인터페이스)로 Vim이라는 문서 편집기 프로그램을 실행했다고 가정할 때 사용자가 컴퓨터를 켠 순간에 생성된 최초 프로세스는 로그인을 담당하는 프로세스를 자식 프로세스로 생성한 것이고, 로그인 프로세스는 사용자 인터페이스 프로세스를 자식 프로세스로 생성한 것이고, 사용자 인터페이스 프로세스는 Vim 프로세스를 생성한 셈이다.

프로세스 생성 기법

부모 프로세스를 통해 생성된 자식 프로세스들은 복제와 옷 갈아입기를 통해 실행된다. 부모 프로세스는 fork를 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성해 내고, 만들어진 복사본은 exec를 통해 자신의 메모리 공간을 다른 프로그램으로 교체한다.

스레드

프로세스를 구성하는 실행의 흐름 단위이다. 그리고 하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있다. 스레드를 이용하면 하나의 프로세스에서 여러 부분을 동시에 실행할 수 있다.

프로세스와 스레드

스레드라는 개념이 도입되면서 하나의 프로세스가 한 번에 여러 일을 동시에 처리할 수 있게 되었다. 즉 프로세스를 구성하는 여러 명령어를 동시에 실행할 수 있게 되었다.

스레드는 프로세스 내에서 각기 다른 스레드 ID, 프로그램 카운터 값을 비롯한 레지스터 값, 스택으로 구성된다.

멀티프로세스와 멀티스레드

멀티프로세스와 멀티스레드의 가장 큰 차이는 자원의 공유 차이 이다. 스레드는 프로세스의 자원을 공유하나, 멀티프로세스는 프로세스끼리 자원을 공유하지 않는다. 멀티프로세스는 자원을 낭비할 수도 있다는 단점이 있으나 하나의 프로세스에 문제가 생겨도 다른 프로세스에는 지장을 안준다는 장점이 있다.

출처: 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제, 강민철 지음