프로세스와 스레드(Process&Thread)

프로세스란?

프로세스는 실행중인 프로그램을 말한다.

 

프로세스의 문맥(context)

특정 시점에서 프로세스가 어디서부터 어디까지 실행됐는지의 상태를 표현한 하드웨어 문맥이다. 아래 내용들을 모두 포함해 프로세스의 문맥이라고 한다. 현대 컴퓨터는 여러 프로세스가 time sharing을 하며 동시에 실행되기 때문에 다음 프로세스로 넘어갈 때 이전 프로세스의 문맥을 저장해놔야 다시 돌아왔을 때 정상적으로 실행할 수 있다.

 

하드웨어 문맥

다음에 실행할 명령어 주소를 담고 있는 Program Counter 와 각종 register의 정보

 

프로세스의 주소 공간

code, data, stack 에 어떤 내용이 들어 있는가.

 

프로세스 관련 커널 자료 구조

프로세스 관리를 위한 자료구조인 PCB(Process Control Block) 와 운영체제에서 해당 프로세스에 대한 정보를 담고 있는 kernel stack.

 

프로세스의 상태(Process State)

프로세스는 아래 세 가지 상태로 변경되며 수행된다. 

Ready는 Memory 에 Address Space 를 세팅하는 등의 작업이 모두 끝나고 마지막으로 CPU를 기다리는 상태다. 이후 CPU 을 차지하고 instruction을 수행중인 상태를 Running 이라고 한다. 만약 I/O 작업을 하거나 disk에서 file을 읽어오는 등 요청한 event 가 만족되지 않아 완료될 때까지 기다리느라 CPU를 사용하지 않는 상태가 되면 Blocked(=wait, sleep) 상태가 된다. 경우에 따라 New 라는 프로세스 생성 중인 상태와 Terminated 라는 프로세스 수행이 끝나고 끝낼 준비를 하는 상태도 같이 말하기도 한다. 만약 계속 실행되어야 하는데 time sharing 때문에 timer 가 끝나고 다른 프로세스에게 CPU 제어를 넘기면 다시 Ready 상태가 된다. 

여러 프로세스가 자신의 차례가 되길 기다리며 줄 서 있는 자료구조를 Ready Queue / I/O queue 라고 한다. 하드웨어 뿐만 아니라 소프트웨어에서 공유 자원에 접근할 때도 동시에 접근하면 문제가 발생하므로 Resource queue 에 줄세운다. 그리고 이렇게 프로세스의 상태를 바꾸고 queue에 줄세우고 같은 작업들은 운영체제의 커널이 관리한다.

 

프로세스 스케줄링 큐

프로세는 각 큐들을 오가며 수행된다.

 

Job queue

현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합

 

Ready queue

현재 메모리 내에 있으면서 CPU 제어권을 기다리는 프로세스의 집합

 

Device queue

I/O device 의 처리를 기다리는 프로세스의 집합

 

PCB(Process Control Block)

운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 유지하는 정보이다. 즉, 프로세스의 문맥에 대한 자료구조다.

 

(1) OS가 관리상 사용하는 정보

- Process state, Process ID

- Scheduling information, priority

위에서는 queue로 줄세우고 순서대로 실행하는 것이라고 설명했지만, 사실 그 중에서도 우선순위가 높은 것을 먼저 실행하게끔 설계되어 있다. 이때 사용하는 것이 priority 다.

 

(2) CPU 수행 관련 하드웨어 값

- Program counter, registers

 

(3) 메모리 관련

- code, data, stack 가 메모리에 어디에 위치해있는가 

 

(4) 파일 관련 

- file, resource ...

 

문맥 교환(Context Switch)

CPU가 한 프로세스에서 다른 프로세스로 제어권을 넘겨주는 과정이다. 다른 프로세스로 넘겨줄 때 이전 프로세스의 PCB를 저장하고, 다른 프로세스의 PCB를 읽어오며 실행한다.

 

시스템콜이나 Interrupt 발생 시에 무조건 context switch 가 일어나는 것은 아니다. 문맥 교환은 오버헤드가 상당히 큰 작업이다. 따라서 (1)번같은 경우 mode 만 바꾸고, (2)번같이 프로세스 A에서 B로 넘어갈 때에 문맥교환이 일어난다.

 

스케줄러(Scheduler)

Short-term scheduler(=CPU scheduler)

아주 짧은 시간(millisecond 단위)에 이루어져야하는 스케줄러. 어떤 프로세스를 CPU 에게 줄지, 즉 running 상태로 만들지 결정한다.

 

Long-term scheduler(=job scheduler)

실행된 프로세스들 중 어떤 것을 momory를 줄지, 즉 Ready queue로 보낼지 결정하는 스케줄러. Multiprogramming 을 제어한다. 메모리에 너무 많은 혹은 너무 적은 프로세스를 올려두면 시스템 성능이 좋지 않기 때문에 적당하게 조절해야 한다. 오늘날의 시스템, time sharing system 에서는 장기 스케줄러가 없고 시작되면 무조건 ready 상태로 올려진다.(무조건 시작되면 메모리가 할당됨)

 

Medium-Term Scheduler(=Swapper)

메모리에 너무 많은 프로세스가 올라가 있으면 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아낸다. 이것을 Swapper 라고 한다. 오늘날의 시스템은 장기 스케줄러를 두지 않고 일단 다 메모리에 올린 후에 Swapper 가 누구를 쫓아낼지 정한다. 마찬가지로 Multiprogramming 을 제어한다.

 

이 중기 스케줄러 때문에 프로세스의 상태가 하나 더 추가된 것이 있다. 바로 Suspended(=stopped) 상태다. 외부적인 이유로 프로세스 수행이 정지돼서(프로세스를 일시 중지 시키거나, 메모리에 너무 많은 프로세스가 있다거나 등) 통째로 디스크에 swap out 된 상태다. Blocked 는 요청한 event 가 만족되면 Ready 상태가 되지만, suspended 는 외부에서 resume 해줘야 다시 Active 된다.

 

위의 내용을 다시 정리해서 프로세스의 상태도를 그려보면 아래와 같다.

 

Thread (=lighweight process)

프로세스 내부에 CPU 수행 단위가 여러개 있는 것. Adress Space를 여러개 생성하지 않고 그 내부에서 CPU 수행 단위만 쪼갠다. 프로세스 하나에서 공유할 수 있는 것(code, data, os resources 등등)을 최대한 공유함. 별도로 가져야 하는 program counter, registers, stack 만을 스레드들이 독립적으로 가짐.

프로세스는 하나이므로 PCB는 1개만 생성된다. 공유하지 않는 부분만 별도로 가지게 된다.

 

스레드의 장점

Responsiveness

하나의 프로세스 안에 여러 스레드를 두게 되면 한 스레드가 blocked  상태에서도 동일한 태스크 내 다른 스레드가 running 되기 때문에 빠른 처리를 할 수 있다. 예를 들어 웹 애플리케이션의 경우 네트워킹 스레드는 서버와 입출력을 하고, 그동안 다른 스레드가 UI를 미리 그려놓는 식으로 처리하면 사용자가 빠르게 응답을 받을 수 있다. 스레드를 사용하지 않으면 웹 애플리케이션 프로세스 하나만 실행되니 네트워킹을 하는 동안 blocked 상태가 되니 다른 일을 하지 못한다. (스레드를 이용한 비동기 작업)

 

Resource Sharing

같은 일을 하는 프로세스를 여러개 띄워놓는 경우, code/data/os resources 를 더 생성하지 않고 공유하므로 자원을 절약할 수 있다.

 

Economy

Process 를 하나 만드는 건 오버헤드가 크지만, 프로세스 내에 Thread 하나를 만드는 건 오버헤드가 크지 않다. 또 Process Context Switching 은 여러 작업을 해야하기 때문에 오버헤드가 크지만 프로세스 내부에서 Thread Context Switching 은 대부분이 동일하므로 오버헤드가 크지 않다. 즉, 같은 일을 하는 작업 같은 경우 Thread 를 생성하고 CPU Switching 을 하면 오버헤드를 줄일 수 있다.

 

Utillzation of MP(Multi Processor) Architectures

프로세스가 하나지만 CPU가 여러개인 경우 서로 다른 CPU 가 스레드를 이용해서 일을 병렬적으로 처리해 성능을 높일 수 있다.

 

프로세스 생성과 종료

프로세스 생성

부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성한다. 프로세스 트리 구조로 형성됨. 프로세스가 실행되는데 필요한 자원은 운영체제로부터 받는데, 부모 프로세스와 자원을 공유하는 모델도 있고 아닌 모델도 있다. 또 부모와 자식이 공존하며 수행되는 모델도 있고 혹은 자식이 끝날 때까지 기다리는 모델도 있다.

 

자식 프로세스는 부모 프로세스의 공간을 복사하고 복사한 공간에 새로운 프로그램을 올린다. 유닉스에서는 fork() 라는 시스템 콜로 복사를 하고 exec() 라는 시스템콜로 새로운 프로그램을 덮어 씌운다. 즉, 사용자 프로세스가 다른 자식 프로세스를 생성할 땐 운영체제에게 요청해서 생성함.

 

프로세스 종료

프로세스가 운영체제에게 명시적으로 exit call 을 보내 종료시킨다. 중괄호를 닫거나 return 0을 하거나 등 자식이 부모에게 output data 를 보내면(wait) 각종 자원들이 운영체제에게 반납된다. 이건 자식이 자신의 종료를 알리는 것이고, 자식 프로세스가 할당 자원의 한계치가 넘어서거나 자식 프로세스가 더이상 필요하지 않는 경우, 혹은 부모 프로세스가 종료(exit) 되는 경우 단계적으로 종료되어야 하므로 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제로 종료시킬 수 있다(abort)

 

프로세스와 관련된 시스템 콜

fork()

위 사진처럼 fork() 호출된 시점에서 문맥이 그대로 복사되고, 문맥이 복사된 것이므로 실행 시점(PC)도 복사됐으니 처음부터 실행되는 게 아니라 fork() 가 호출된 후의 시점에서 자식 프로세스가 실행된다. 즉 fork() 윗부분의 printf 부분은 자식 프로세스는 실행하지 않는다.  fork() 의 return value 가 다르므로 부모/자식 프로세스를 구분할 수 있다.

 

exec()

execlp 가 호출되면 그 시점에서 다른 내용으로 덮어씌워지고, 그 내용은 처음부터 실행되고 종료되면 다시 돌아오지 않는다. exec() 은 프로세스 생성에서만 쓰지는 않는다.

 

wait()

wait() 시스템 콜이 호출되면 자식 프로세스가 종료될 때까지 부모 프로세스를 blocked 상태로 sleep 시킨다. 자식 프로세스가 종료되면 부모 프로세스가 깨어나고 ready 상태로 바뀐다. 자식이 종료될 때까지 부모가 기다리는 wait 모델에 해당된다.

 

exit()

프로세스를 종료시킬 때 호출하는 시스템 콜이다. 명시적으로 exit() 를 호출할 수도 있고, 컴파일러가 알아서 main 함수가 리턴되는 위치에 넣어준다. 보통은 자발적으로 종료할때 쓰이는데, 부모 프로세스가 메모리 때문에 자식을 죽이는 등의 외부에서 종료시키는 비자발적 종료에도 쓰인다.

 

프로세스간 협력

원칙적으로 프로세스는 자식이든 부모든 관계 상관 없이 메모리 공간도 전부 독립적이라 CPU 를 경쟁적으로 사용한다. 그러나 프로세스 간 데이터를 주고받으며 실행해야하는 협력이 필요한 경우도 있다. 이것을 프로세스 간 협력 메커니즘(IPC, Interprocess Communication) 이라고 한다. 참고로 스레드는 주소공간을 완전히 공유하고 있기 때문에 스레드 간에는 완전한 협력이 가능하다.

message passing

프로세스 간 공유 변수를 일체 사용하지 않으므로 커널을 통해 메시지를 전달함. 

 

shared memory

code 나 stack 을 각자 가지고 있는데, 그 일부 주소 공간을 서로 다른 프로세스 간에 공유해 사용하는 방법이다. 논리적인 Address space 는 따로 만들되 일부 공간을 Memory 상에서 겹쳐서 할당받는 것.