운영체제

프로세스와 쓰레드

becomeweasel 2022. 9. 18. 16:11

프로세스란, 실행중인 프로그램을 의미한다.
프로그램을 실행하기 위해서는 주소공간,파일,메모리 등이 필요한데 운영체제로부터 이런 것을 할당받은 프로그램을 프로세스라 한다.

프로그램은 어떤 작업을 수행하기 위한 파일로써 정적인 상태이고, 프로세스는 그 작업을 수행하는 동적인 상태다.

프로세스의 메모리 구조

프로세스는 아래 그림과 같은 메모리 구조를 띄고 있다.


프로세스는 각자 본인이 사용하는 메모리 영역과 레지스터 값을 가진다.

프로세스의 메모리 영역은 코드,데이터,힙,스택 영역으로 구성된다.

  • 코드 : 사용자가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 기계어 명령 형태로 변경되어 저장되는 공간
  • 데이터 : 전역 변수 또는 static 변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 공간
  • 스택 : 함수의 복귀주소와 지역변수,매개변수,반환값을 저장하는 공간. 재귀함수가 반복되거나 지역변수가 너무 많으면 stack overflow 발생. 가변적이다.
  • 힙 : 프로세스 실행 중에 런타임에 할당되는 영역. 이곳에 메모리를 할당하는 것을 동적 할당이라고 한다. 가변적이다.

    이처럼 프로세스는 각자의 메모리 영역을 가지기에 프로세스간의 메모리는 서로 침범 할 수 없다.

프로세스 제어 블록 (Process Control Block, PCB)

PCB(Process Control Block)는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조이다. 그렇기에 PCB는 일반적으로 보호된 메모리 영역,예를 들면 커널 스택등에 위치한다.

OS는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스를 생성함과 동시에 고유한 PCB를 생성한다.

프로세스는 CPU를 할당받아 작업하다가도 context-switching이 일어나면, 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야하는데, 이때의 작업 진행상황이 PCB에 저장된다.
그 후 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB 안에 있던 정보들을 불러와서 작업이 멈추었던 시점에서부터 다시 시작한다.

  • 프로세스 식별자 : PID
  • 프로세스 상태 : new,ready,running,waiting,terminated

  • 프로그램 카운터,PC : 프로세스가 다음에 실행할 명령어 주소
  • CPU 레지스터
  • CPU 스케쥴링 정보 : 우선순위, 스케쥴 큐에 대한 포인터 ← 이것을 바탕으로 MLFQ나 RR이 동작한다.
  • 메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블에 대한 정보 포함
  • 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
  • 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호

이 PCB들은 커널 스택과 같은 보호된 메모리 영역 내에서 Linked List 형태로 관리된다. PCB List Head에 PCB들이 생성될때 붙는 방식으로 관리가 된다.

스레드(Thread)

스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 단위다.

한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다.

스레드는 스레드 ID,PC,레지스터 집합, 그리고 각자의 스택으로 구성된다(독립적인 메모리는 아니고, 스택 포인터로 표시한다).

이를 통해 멀티 쓰레딩을 달성할 수 있는데 멀티쓰레딩은 하나의 프로세스를 여러개의 실행단위(스레드)로 나누어서 자원을 공유하며 자원의 생성과 관리의 중복을 줄여 수행능력을 높이는 것이다.

  • 공유
    • 같은 프로세스에 속하는 스레드들은 힙,데이터,코드 영역을 공유한다. 추가적으로 open된 파일등도 공유한다.
  • 공유하지 않는 것
    • 각자의 스택과 레지스터(PC 포함)은 공유하지 않는다.

이렇게 하나의 프로세스 내에서 다수의 실행 단위인 스레드로 구분하여 공유할 자원은 공유하고, 독립적인것은 따로 두어 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라 한다.

스레드에서의 메모리 구조

스레드 역시 프로세스와 단짝인 개념인데, 짧게 말하면 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위 이다. 위의 그림처럼, 여러개의 스레드는 각자의 레지스터와 스택을 가지지만, 나머지 영역은 가지지 않는다. 대신에 코드,힙,데이터 영역을 공유해서 병렬적인 수행이 가능하다.

  • TMI : 왜 스레드는 각자의 스택을 가지고 있을까?

    스레드가 하나의 실행의 context라는 것을 생각하면 자명하다. 그 context내에서 아주 간단하게 여러개의 지역변수,파라미터,반환값,복귀주소등을 가지는데, 그 스레드들이 만약 서로의 스택을 공유하게 된다면, 그 context가 서로 섞이게 된다. 사실 각자의 스택을 가지기 때문에 스레드가 종종 Lightweight Process라고 불리는 이유다. 그리고 각자의 스택을 가지고 있다고 얘기하지만 사실은 하나의 메모리공간을 stack pointer를 이용해서 분리하는 것이다.

  • TMI2 : 그럼 스레드는 왜 각자의 PC와 register도 있을까?

    위의 답과 비슷한 이유인데, PC(Program Counter)나 레지스터의 역할은 현재 명령어가 어디까지 수행되었는지,수행될때 쓰던 데이터는 무엇이었는지 알려주는 것이다. 스레드는 CPU를 할당받을때 프로세스처럼 스케쥴러에 의해 결정되는데, 그렇기에 명령어가 연속적으로 실행됨을 보장하지 못하기에 어디까지 실행되었는지 기록할 필요가 있는데 그래서 스레드가 각자의 PC를 가지는 것이다.

스레드의 장점과 단점

  • 장점
    • 반응성
      • 특정 스레드가 I/O 작업을 처리중이거나(blocked) 긴 작업을 수행중이여도 다른 스레드는 본인의 일을 계속 할 수 있다.
    • 자원 공유
      • 프로세스는 shared memory나 message passing과 같은 기법을 이용해서 자원을 공유할 수 있지만, 스레드끼리는 프로세스의 자원을 서로 공유한다.
    • 경제적
      • 프로세스의 자원을 공유하기 때문에 새로운 메모리 주소공간을 할당받을 필요가 없어 생성에 자원이 적게 들어간다.
      • 스레드 간에 컨텍스트 스위칭을 할 때 캐시 메모리 안비워도 된다. 어차피 같은 메모리 주소공간을 사용하니까 오버헤드가 적다.
      • 근데 이것도 극복하려고 thread pool이라는 기술도 있다.
    • 확장가능성
  • 단점
    • 공유자원을 사용하기 때문에 동기화 문제를 고려해야 한다.
      • lock을 함으로써 공유자원에 대한 동기화를 해결할 수 있는데 이게 병목현상이 될 수 있다.
      • 그러므로 적절한 부분만 lock을 하는 것이 필요하다. → Critical Section Only

멀티 프로세싱 vs 멀티 스레드

  • 멀티 프로세싱
    • 두 개 이상의 다수의 프로세스가 협력적으로 하나의 작업을 동시에 병렬적으로 처리하는 것
    • 프로세스간 메모리 공유는안되기 때문에, IPC를 이용해 소통
    • 하나의 프로세스에서 문제가 생겨도 다른 프로세스는 계속 진행할 수 있음.
    • 컨텍스트 스위칭 비용이 높음
  • 멀티 스레딩
    • 단일 프로세스 내에서 여러 쓰레드로 나누어 동시에 실행
    • 컨텍스트 스위칭 비용이 거의 없음
    • 스택을 제외한 데이터,코드,힙 영역을 공유하기 때문에 공유하는데 편리함
    • 임계영역의 문제가 있음