[운영체제] 프로세스

용어 설명

1. 실행 단위 : cpu core에서 실행하는 하나의 단위로, 프로세스와 스레드를 포괄하는 개념

2. 프로세스 : 하나의 스레드만 가지고 있는 단일 스레드 프로세스

3. 동시성 : 한 순간에 여러가지 일이 아니라, 짧은 전환으로 여러가지 일을 동시에 처리하는 것처럼 보이는 것

 

4. 프로그램

• 어떤 작업을 위해 운영체제 위에서 실행할 수 있는 파일
• 컴파일 코드, 전역변수, 문자열, 문자열 상수 등 정적 데이터를 포함하는 정적개체

5. 프로세스

• 운영체제 위에서 실행 중인 프로그램
• 메모리 구조를 이루고, 프로그램 카운터나 레지스터처럼 현재 어떤 자원을 사용하는지 정보가 들어 있는 동적개체

6. 프로세서 : 프로세스가 동작하도록 하는 하드웨어(= CPU)

 

 

 

프로세스의 메모리 구조 (4가지 영역)

• 프로그램이 동작할 때 필요한 CPU, 메모리, I/O장치, 파일 등 자원을 할당받은 후 동작한다. 
• 프로그램 실행을 위한 메모리를 할당 받고, 프로그램의 명령어와 데이터가 메모리 공간으로 로드(Load)되면,
  프로그램은 프로세스라고 불린다.
• 프로그램이 메모리 공간에 로드(Load)되어 CPU가 명령어들을 순차적으로 처리한다.

1. Code : 실행 명령을 포함하는 프로그램의 코드

2. Data : 전역 변수 ex) static 변수, global 변수

3. Heap : 동적할당 데이터 ex) new Object(), malloc()

4. Stack : 지역변수, 매개변수, 반환값, 호출된 함수 등 임시 데이터

 

 

 

PCB (Process Control Block)

• 어떤 프로세스를 어디까지 작업했는지 알 수 있어야 한다.
• 따라서 프로세스 생성 시, 프로세스에 대한 정보를 담고 있는 PCB 블럭이 함께 생성된다.
• PCB는 프로세스를 제어하기 위한 정보 모음집이다.

1. 포인터 (Pointer)

• 프로세스 상태 중에 준비상태나 대기상태의 큐를 구현하기 위한 포인터이다.

2. 프로세스 상태 (Process State)

• 프로세스의 현재 상태를 나타낸다.

3. 프로세스 번호 (PID, Process ID, Process Number)

• 프로세스의 구분 기준이 되는 고유 ID이다.

4. 프로그램 카운터 (PC, Program Counter)

• 프로세스 수행을 위한 다음 명령어의 주소를 표시한다.

5. 레지스터 (Register)

• 이전에 작업하던 내용이다.
• 실행상태에서 다른 상태로 전이되는 경우 CPU의 레지스터 정보를 이곳에 저장시켜서 나중에 다시 실행상태로 전이될 때 복구 시켜 프로세스의 정확한 수행을 이어나간다.

6. 메모리

• 프로세스의 주소 공간이다.
• 프로세스가 저장된 주소와 가상 메모리를 사용하는 경우에는 가상주소와 실제주소의 사상(mapping) 정보, 기준 레지스터(base register)와 경계 레지스터(bound register) 등의 정보를 포함한다.

7. 프로세스 우선순위

• 우선 순위, 최종 실행시각, CPU 점유시간 등 CPU 스케줄링 정보이다.
• 스케줄링 시 어떤 작업을 선택할 것인가를 결정한다.

 

 

 

프로세스가 구체적으로 어떻게 실행되는가?

• CPU(프로세서)는 한순간에 하나의 프로세스만 실행가능하다.
• 다수의 프로세스를 동시에 실행하기 위해, 다수의 프로세스를 시분할로, 즉 짧은 텀으로 반복 전환해서 실행한다.

 

 

 

프로세스 상태

1. 생성상태 -> 준비상태
   • 미리 정의된 정책에 따라 스케줄러에 의해 호출, 이때 메모리의 이용 가능성과 어떤 장치가 요구되는지를 검사한다.
2. 준비상태 -> 실행상태 (dispatch)
   • 사전에 정의된 알고리즘(FCFS, SJF, SRT, RR등)에 따라 스케줄러에 의해 처리된다. 이 과정을 디스패치라고 한다.
3. 실행상태 -> 준비상태 (timeout)
   • 할당시간의 만료나 우선순위 알고리즘을 택하고 있는 시스템에서 높은 우선순위의 프로세스가 오는 경우 스케줄러에 의해 처리된다.
4. 실행상태 -> 대기상태 (block)
   • READ, WRITE 또는 다른 I/O 요구, 페이지 교환을 요구하는 작업 같은 명령 등에 의하여 일어난다.
   • 이러한 작업은 상대적으로 오랜 시간이 걸리기 때문에 그동안 CPU를 다른 프로세스에 할당하여 활용하기 위함이다.
5. 대기상태 -> 준비상태 (wakeup)
   • I/O 장치 관리자의 신호에 의해 일어난다.
   • 페이지 교환의 경우 페이지 인터럽트 핸들러가 메모리에 그 페이지가 있다는 신호를 보내게 되며, 프로세스는 준비 큐에 놓이게 된다.
6. 실행상태 -> 종료상태
   • 프로세스를 성공적으로 끝마친 경우, 혹은 운영체제가 에러 발생을 감지하고 프로세스를 강제로 종료시킨 경우에 스케줄러에 의해 실행된다.

 

 

 

프로세스의 컨텍스트 스위칭

• 동시에 실행하고 싶은 프로세스 두 개가 있을 때, 두 프로세스를 짧은 텀으로 전환하며 실행한다.

프로세스1은 CPU에 적재된 실행상태, 프로세스2는 준비상태

프로세스1이 준비상태, 프로세스2가 CPU에 적재된 실행상태

다시 프로세스2가 준비상태, 프로세스1이 CPU에 적재된 실행상태

 

 

 

멀티 프로세스

• 부모 프로세스가 fork()를 하여 자식 프로세스를 여러 개 만들어 작업을 처리한다.
• 자식 프로세스는 부모와 별개의 독립적인 메모리 영역을 확보한다.
• ex) 한 어플리케이션에서 여러가지 일을 처리할 때
  • 여러 사용자가 로그인을 요청하는 상황이라면
  • 한 프로세스는 매번 하나의 로그인만 처리할 수 있으므로, 동시에 처리할 수 없다.

 

 

 

 

 

멀티 프로세스의 문제점

1. 실행되는 프로세스의 변경과정에서 발생하는 컨텍스트 스위칭은 시스템에 부담을 준다

• 실행중인 프로세스가 변경되면 CPU 내에 존재하는 레지스터들의 값이 변경된다. 
• 그렇다고 아예 그 프로세스 실행이 종료되는 것이 아니기 때문에, 지금 레지스터들이 가지고 있는 값을 어딘가에 저장해야 한다.
• 또 변경되어 실행되는 프로세스가 새로 실행되는 것이 아니라면, 이전에 레지스터들이 가지고 있는 데이터를 복원시켜야 한다.
• 이 과정에서 이전 레지스터 정보는 메모리에 저장되고 변경되어 실행되는 프로세스의 정보는 CPU의 레지스터에 복원시킨다.

2. 프로세스는 각자 자기만의 독립적인 메모리 영역을 가지고 있다.

• 따라서 다른 프로세스의 정보를 가져오려면 통신(IPC)이 필요하다.

 

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스레드

• 한 프로세스 내에서 구분지어진 실행 단위이다.
• 프로세스가 다수의 스레드로 구분되어있지 않으면, 단일 스레드 하나로 프로세스가 실행된다. 즉, 프로세스의 하나밖에 없는 스레드가 실행 단위가 되는 것이다.
• 위의 경우 통상적으로 프로세스를 실행 단위로 본다.

 

 

 

스레드의 컨텍스트 스위칭

• 하나의 프로세스 안에 다수의 스레드가 있을 때, 공유하는 자원이 있다.
• 스레드는 코드, 데이터, 힙 영역을 공통된 자원으로 공유해서 사용한다.
• 각 스레드는 스택 영역만을 따로 가지고 있다.

스레드의 공유 자원

• 공유하는 자원이 있기 때문에, 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 *캐시 적중률이 올라간다. 
• 컨텍스트 스위치를 할 때 모든 자원을 대상으로 하지 않기 때문에 효율적이다.

 

* 캐시 적중률 (Hit Rate)

• 원하는 정보가 캐시 메모리에 기억되어 있을 때 적중(Hit), 기억되어 있지 않으면 적중하지 못한 것이다.
• 적중률은 캐시 기억장치가 있는 컴퓨터의 성능을 나타내는 척도로 이용된다.
• 적중률이 0.95~0.99일 때 우수하다고 본다.
• 적중률 = 적중 횟수 / 총 접근 횟수

 

 

 

멀티 스레드

• 프로세스 내에서 분리해서 여러 스레드로 실행단위가 나누어진 경우를 말한다.
• ex) 한 어플리케이션에 대한 작업의 단위가 나누어지는 경우
  • 인텔리제이에서 소스코드를 수정하는 동시에, 추천코드도 보여주고, 테스트도 돌리고, ...
  • 이 때 각각의 스레드가 그 작업을 담당한다.

Multi-process vs Multi-thread

 

 

 

멀티 스레드의 단점

• Internet Explorer : 한 스레드, 한 탭에 문제가 생기면 전체 프로세스에 영향을 끼친다.
• Chrome : 멀티 프로세스를 이용하므로 멀티탭 간의 영향을 덜 받는다.

Internet Explorer의 작동이 중지되었습니다.

멀티 프로세스를 이용하는 크롬 브라우저

 

 

 

Concurrency vs Parallelism (지난 주 질문)

멀티 코어

 

 

 

 

출처

1. [우아한Tech] 🌷 코다의 Process vs Thread https://www.youtube.com/watch?v=1grtWKqTn50 

2. [우아한Tech] 👩‍💻👨‍💻 쪼밀리와 오구의 Process vs Thread  https://www.youtube.com/watch?v=DmZnOg5Ced8

3. [어떤 프로그래머] 05. 프로세스의 생성과 소멸 https://popcorntree.tistory.com/56

4. 프로그램의 실행 과정 https://scriptplay.tistory.com/284

5. 프로세스의 개요과 구성 https://hyuntaekhong.github.io/blog/OperatingSystem02/

6. [코딩스타트] https://coding-start.tistory.com/198

7. 캐시메모리 적중률 

https://ndlessrain.tistory.com/entry/%EC%BA%90%EC%8B%9C%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC-%EC%A0%81%EC%A4%91%EB%A5%A0Hit-Rate