프로세스와 스레드

프로세스

실행되고 있는 프로그램 또는 CPU 스케줄링의 대상이되는 작업을 의미한다.

 

프로세스의 상태

여기서 상태 변화의 원이는 CPU 소유권과 메모리 부족여부이다.

 

1. 생성
   • 프로세스를 생성 상태, fork() 또는 exec()함수를 통해 생성되며, PCB가 할당된다.
2. 대기
   • 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 할당하지 않은 상태로 CPU 소유권이 넘어오기 기다리는 상태
3. 대기중단
   • 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
4. 실행
   • 소유권과 메모리를  모두 할당받고 수행중인 상태
5. 중단
   • 이벤트가 발생되여 프로세스가 차단된 상태 , 대표적으로 I/O 디바이스에 의한 인터럽트가 있다.
6. 일시중단
   • 중단된 상태에서 프로세스 소유권을 받으려했지만 메모리가 부족하여 다시 대기하는 상태
7. 종료
   1. 메모리와 CPU를 모두 내려놓는 상태

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프로세스의 메모리 구조

동적영역

1. 스택

• 속도가 빠른 대신 메모리 크기에 제한이 있음
• 메모리를 직접 해제 하지 않아도 됨
• 값타입, 지역변수, 매개변수 함수가 저장
• 컴파일 . 시크기가 동적으로 할당

2. 힙

• 동적 할당 영역 , 런타임 시 결정됨
• 메모리 크기에 제한이 없는 대신 속도가 스택에 비해 느림
• 메모리 누수 발생 가능성이 있음
• 참조 타입 , 클로저, 클래스 인스턴스 등을 할당함
• ARC가 메모리 영역 중 힙 영역을 관리

정적영역

1. 데이터 영역

• 전역변수, 정적변수가 저장
• BSS영역은 초기화 되지 않은 변수가 저장
• Data영역은 초기화 된 변수를 저장

2. 코드 영역

• 소스코드가 저장되는 영역
• 수정 불가능한 기계어로 저장

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PCB

Process Control Block의 약자로 프로세스에 대한 메타데이터를 저장하는 데이터

프로세스 생서과 동시에 운영체제가 생성한다.

 

구조

• 프로세스 스케줄링 상태: 앞에 언급한 생성 ~ 종료까지를 나타내는 상태
• 프로세스 ID: 해당 프로세스 ID와 자식 프로세스 ID 정보
• 포르세스 권한: 컴퓨터 자원에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터: 다음 명령어 주소에 대한 포이넡
• CPU 레지스터: 프로세스 실행에 필요한 레지스터에 대한 정보
• CPU 스케줄링 정보:  중단된 시간과 같은 CPU 스케줄링 중 발생하는 정보
• 계정 정보: 프로세스 실행한 유저 정보
• I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭이란 PCB를 교환하는 과정이다.

 

프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트가 발생하면 컴퓨터는 현재 실행중인 PCB를 저장하고

다음 PCB에 있는 프로세스를 로드 한다.

 

그림으로 보면 다음과 같다.

 

PCB1-> P2  -> PCB2 -> P1

 

이렇게 상태를 저장하고 다른 프로세스를 적재하여 실행하는 것이 Context Switching이다.

그림을 보면 알겠지만 각 컨텍스트 스위칭마다 유휴 시간이 존재하는 게 보일 거다.

 

그게 바로 컨텍스트 스위칭에 발생하는 비용(캐시 미스)이다.

 

캐시미스는 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로
캐시 클리어 과정에서 생기는 비용이다.

 

여기서 스레드 역시 컨텍스트 스위칭이 존재한다. 이 때 비용의 차이가 존재하는데 그것은 스레드쪽에서 한번에 정리해보자.

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멀티프로세싱

• 멀티프로세싱은 여러개 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행하는
• 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스에 문제가 발생하더라도 다른 프로세스를 통해 처리 가능

IPC

• Inter Process Communication의 약자로 멀티프로세스에 필요한 기능이다.
• 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커님즘을 뜻한다.
• 대표적인 종류는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다.

공유 메모리

• 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 생성된 공유 버퍼
• 기본적으로 각 프로세스 간에 서로 접근할 수 없지만 공유메모리를 통해 하나의 메모리를 공유할 수 있다.
• 데이터를 주고 받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하는 것이기 때문에 불필요한 데이터 복사가 발생하지 않아 속도가 가장 빠르다.
• 하지만 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필수적이다.
• 하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 RAM을 가르키기도 한다.

파일

• 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말하며, 이를 기반으로 프로세스 간 통신이 가능하다

소켓

• 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 다른 컴퓨터의 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP, UDP가 있다.

익명 파이프

• 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받음
• 단방향 방식의 일기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어 작동
• 부모 자식 관계에서만 사용 가능하며, 다른 네트워크상에서는 사용 불가

명명된 파이프

• 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말한다.
• 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.

메시지 큐

• 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리
• 공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡
• 이 때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.

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스레드

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은단위로 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.

 

스레드 메모리 구조

 

위 그림을 보면 프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙을 모두 독립적으로 할당하지만, 스레드는 스택을 제외한

코드, 데이터, 힙을 공유하는 특징이 있다.

 

여기서 잠깐 이전에 배웠던 Context Switching 얘기를 다시 해보자.

 

Context Switching이란 할당시간이 끝난 현재 실행중인 프로세스를 PCB에 잠시 저장해두고

다음에 실행될 프로레스의 PCB에서 프로세스를 메모리에 로드하는 과정이다.

 

여기서 프로세스와 스레드의 메모리구조 차이로 인한 오버헤드 또는 비용이 다르다.

 

스레드 Context Switching 비용 <<< 프로세스 Context Switching 비용 

 

스레드는 스택만 독립적이기 때문에 스택쪽만 교체가 되어 비용이 훨씬 적다.