프로세스와 스레드

1. 프로세스(Process)

- 프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU 의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다.

- 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등(시스템 자원)을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다.

 

할당받는 시스템 자원

• CPU 시간
• 운영되기 위한 주소 공간
• Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어있는 독립된 메모리 영역.

• 기본적으로 프로세스마다 최소 1개의 스레드를 갖는다.(메인 스레드)
• 프로세스는 각각 별도의 주소공간 할당 (독립적)

      -Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)

      -Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등

      초기화 된 데이터는 data 영역에 저장

      초기화 되지 않은 데이터는 bss 영역에 저장

      -Heap : 동적 할당 시 사용 (new(), mallock() 등)

      -Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값 (임시 메모리 영역)

• 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없으며, 접근을 위해서는 IPC 통신이 필요하다.
  • Ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용.

- 구체적으로 살펴보면 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역 변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함한다. 또한 프로세스는 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.

 

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

 

- PCB 는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장 하고 있는 운영체제의 자료구조이다.

- 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB 를 생성 한다.

- 프로세스는 CPU 를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU 를 반환해야 하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB 에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU 를 할당받게 되면 PCB 에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

 

PCB 에 저장되는 정보

• 프로세스 식별자(Process ID, PID) : 프로세스 식별번호
• 프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장
• 프로그램 카운터 : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
• CPU 레지스터
• CPU 스케쥴링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
• 메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
• 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
• 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등

2. 스레드(Thread)

- 스레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있다. 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다.

- 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 그리고 스택으로 구성된다.

- 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다. 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있다.

 

• 스레드는 프로세스 내의 Code, Data, Heap 영역은 다른 스레드와 공유하고 Stack 영역을 따로 할당받는다.
• 여러 스레드는 한 프로세스 내의 Code, Data, Heap 영역을 공유하지만, 프로세스 간에는 메모리에 접근할 수 없다.
• 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있으며, 다른 영역을 공유한다. 따라서 한 스레드가 프로세스의 자원을 변경하면, 다른 스레드도 그 변경 결과를 즉시 확인할 수 있다.

 

 

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

 

PC Register 를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다. 스레드는 CPU 를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.

 

3. 멀티프로세스 & 멀티 스레드

멀티프로세스

하나의 컴퓨터에 여러 CPU 장착 → 하나 이상의 프로세스들을 동시에 처리(병렬)

장점 : 안전성 (메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결)

단점 : 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있어, 작업량 많을 수록 오버헤드 발생. Context Switching으로 인한 성능 저하

 

Context Switching이란?

프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정

즉, 동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순번의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스 상태를 복구하는 과정을 말함

→ 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받아 사용되므로, 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 문제가 존재함 + memory mapping 초기화하는 작업을 거치면서 context switching 은 성능 저하를 가져온다, context switching 이 일어나는 경우 다른일을 할 수 없다. 

컨텍스트 스위칭의 빈도수는 시스템에 따라 다르지만 못해도 초당 수십회 이상 발생한다. 따라서 이러한 컨텍스트 스위칭은 성능 저하의 원인이 된다.

 

멀티 스레드

하나의 응용 프로그램에서 여러 스레드를 구성해 각 스레드가 하나의 작업을 처리하는 것

스레드들이 공유 메모리를 통해 다수의 작업을 동시에 처리하도록 해줌

 

장점 : 독립적인 프로세스에 비해 공유 메모리만큼의 시간, 자원 손실이 감소 전역 변수와 정적 변수에 대한 자료 공유 가능, TCB를 통해서 context switching이 일어난다 또한 스레드의 context switching이 프로세스의 context switching 보다 비용이 더 적다. 

단점 : 안전성 문제. 하나의 스레드가 데이터 공간 망가뜨리면, 모든 스레드가 작동 불능 상태 (공유 메모리를 갖기 때문)

• 멀티스레드의 안전성에 대한 단점은 Critical Section 기법을 통해 대비함상호 배제, 진행, 한정된 대기를 충족해야함
• 하나의 스레드가 공유 데이터 값을 변경하는 시점에 다른 스레드가 그 값을 읽으려할 때 발생하는 문제를 해결하기 위한 동기화 과정

 

+ TCB 와 PCB

PCB는 Process ID와 상태, 우선순위, 메모리 정보 등을 저장한다. 멀티스레드가 아닌 멀티프로세스 환경에서는 PCB가 PC와 Register Set 정보도 포함한다. 여기서는 멀티스레드 환경이라 가정한다.

TCB는 Thread별로 존재하는 자료구조이며, PC와 Register Set(CPU 정보), 그리고 PCB를 가리키는 포인터를 가진다.

TCB는 PCB를 가리키는 포인터를 가진다

그리고 TCB는 PCB보다 적은 데이터를 가지는 자료구조이다. 해당 Thread에 대한 정보만 저장하면 되기 때문이다.

TCB가 PCB보다 데이터가 적다

 

보통 TCB는 커널 레벨에서 Context Switching의 기본 단위가 되며, 같은 프로세스에서의 스위칭에 대해서는 TCB 정보만 저장하면 된다.

하지만 다른 프로세스 간의 스위칭을 할 때에는 PCB / TCB 정보를 모두 저장해야 한다.

출처: https://teraphonia.tistory.com/802 [Teraphonia]