[OS] 프로세스와 스레드

OS

참고: https://velog.io/@raejoonee/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4

프로세스와 스레드

프로그램

파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태

프로세스

• 실행중인 프로그램
• 운영체제로부터 자원을 할당 받은 작업의 단위
  • 한 프로세스를 실행하다 오류가 발생하여 프로세스가 강제 종료되어도 다른 프로세스에 영향X
• 프로세스끼리 자원 공유 불가능
• 각각 독립된 메모리 영역을 할당
• 사용 중인 파일, 데이터, 프로세서의 상태, 메모리 영역 주소 공간, 스레드 정보, 전역 데이터가 저장된 메모리 부분 등 수많은 자원을 포함하는 개념
• 메모리에 적재되어 실행되고 있는 프로그램
• 한 프로그램에 여러 프로세스가 동시에 존재할 수 있음

스레드

• 하나의 프로그램 내에서 여러 개의 실행 흐름을 두기 위한 모델
  • CPU 입장에서 최소 작업 단위 (흐름의 단위)
• 독립적인 일의 단위
• 병렬적으로 여러 개의 작업을 처리
• 자원(메모리) 공유 가능

• 프로세스가 할당 받은 메모리 영역 내 Stack 형식으로 할당된 메모리 영역은 따로 할당
• 나머지 Code/Data/Heap 형식으로 할당된 메모리 영역 공유
• 스레드1이 오류가 발생하면 같은 프로세스 내 다른 스레드 모두 강제 종료

프로세스 메모리 구조

Code(text) 영역

• 정적 할당 영역
• 실행할 프로그램 코드 저장
• CPU가 해당 영역에서 명령어를 하나씩 가져와 처리

Data 영역

• 정적 할당 영역
• 전역변수와 정적변수 저장
• 프로그램이 시작될 때 할당되어 프로그램 종료 시 소멸

• BSS(Block Stated Symbol)

  초기화되지 않은 전역변수 저장
• 초기화된 전역변수는 Data 영역에 저장되어 비휘발성 메모리인 ROM에 저장
• 비용이 많이 들어 RAM에 저장될 것과 ROM에 저장될 것을 구분하기 위해 영역을 구분하여 사용

Stack 영역

• 동적 할당 영역
• 지역변수, 매개변수, 리턴 값
• 잠시 사용되었다가 사라지는 데이터 저장 영역
• 함수 호출 시 할당되고 반환 시 소멸
• 로드 시(컴파일 타임) 크기 결정
• 데이터를 높은 주소에서 낮은 주소로 쌓아 올림

Heap 영역

• 동적 데이터 영역
• 메모리 주소 값에 의해 참조되고 사용되는 영역
• 프로그램 동작 시(런타임)에 크기가 결정
• ex) Stack에서 Pointer가 가리키는 heap 영역의 임의의 공간으로부터 원하는 크기만큼 할당
• 데이터를 낮은 주소에서 높은 주소로 쌓아 올림

> Code + Data + Stack: 컴파일 시 크기를 계산하여 메모리 영역 결정

멀티태스킹, 멀티 스레드

멀티태스킹

하나의 운영 체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것

여러 개의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에 수행

멀티스레드

하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용하여 동시에 처리하는 것

• 장점
  1. Context-Switching할 때 공유하고 있는 메모리만큼의 메모리 자원을 아낄 수 있음

  2. 문맥 교환(Context-Switching)

     현재까지의 작업 상태나 다음 작업에 필요한 각종 데이터를 저장하고 읽어오는 작업
     • CPU의 코어수보다 더 많은 스레드 실행 ▶ 각 코어가 정해진 시간 동안 여러 작업을 번갈아가며 수행
     • 문맥 교환에 걸리는 시간이 커지면 멀티 쓰레딩 효율 저하
     • 많은 양의 단순한 계산 -> 싱글 스레드 동작이 효율
  3. 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유 -> 통신 부담이 적어 응답시간이 빠름
  4. 자신이 속한 프로세스의 메모리 공유 -> 시스템 자원 낭비가 적음
• 단점
  1. 스레드 하나가 프로세스 내 자원을 망치면 모든 프로세스 종료
  2. 동기화 문제(Synchronization Issue)
     • 어떤 순서로 실행될 것인지 순서를 알 수 없음
     • 여러 스레드가 함께 전역 변수를 사용할 경우 발생하는 충돌

자바 싱크로나이즈, Stream

• https://tourspace.tistory.com/54?category=788398

 

동시성(Concurrency)과 병렬성(Parallelism)

https://beststar-1.tistory.com/24?category=976609

동시성

싱글 코어에서 멀티스레드를 동작시키기 위한 방식

멀티 태스킹을 위해 여러 개의 스레드가 번갈아가면서 실행되는 성질

병렬성

멀티 코어에서 멀티 스레드를 동작시키는 방식

한 개 이상의 스레드를 포함하는 각 코어들이 동시에 실행되는 성질

▶ Context Switching(문맥 교환)이 일어남

멀티스레드 환경에서 경쟁상태 회피

경쟁상태

• 프로세스들끼리 하나의 자원을 갖기 위해 싸우는 것
• 회피 방법: 세마포어, 뮤텍스

뮤텍스

공유된 자원의 데이터를 여러 스레드가 접근한 것을 막는 것

• 상호 배제
• Critical Section을 가진 스레드의 Running Time이 서로 겹치지 않도록 단독으로 실행하는 기술
• 다중 프로세스들의 공유 리소스에 대한 접근을 조율하기 위해 synchronized 또는 lock 사용
• 뮤텍스 객체를 두 스레드가 동시에 사용할 수 없음

세마포어

공유된 자원의 데이터를 여러 프로세스가 접근하는 것을 막는 것

• 공유 리소스에 접근할 수 있는 프로세스의 최대 허용치만큼 동시에 사용자가 접근하여 사용
• 리소스 상태를 나타내는 카운터
  • 운영체제/커널에 지정된 저장자치 내의 값
  • 비교적 긴 시간을 확보하는 리소스에 대해 이용
  • 운영체제의 리소스를 경쟁적으로 사용하는 다중 프로세스에서 행동 조정/동기화
• 프로세스는 세마포어 값을 확인하고 변경할 수 있음
  • 사용 중이지 않는 자원 -> 프로세스가 즉시 자원 사용
  • 사용 중인 자원 -> 재시도까지 일정 시간을 기다려야 함
  • 세마포어를 사용하는 프로세스는 그 값을 확인하고, 자원을 사용하는 동안 그 값을 변경하여 다른 세마포어 사용자들이 기다려야 함
• 이진수 사용 (추가적인 값 사용 가능)

뮤텍스와 세마포어 차이점

• 동기화 대상 개수

  뮤텍스	세마포어
  1개	1개 이상

• 세마포어 -> 뮤텍스 O뮤텍스 = binary Semaphore 이므로
• 뮤텍스 -> 세마포어 X
• 소유권

  뮤텍스	세마포어
  소유 가능 -> 소유주 책임	소유할 수 없음
  뮤텍스는 두 개의 상태를 가지는 lock이므로 lock을 가질 수 있음
  뮤텍스를 소유하는 스레드만 뮤텍스 해제 가능	세마포어를 소유하지 않은 스레드가 세마포어 해제 가능

• 범위

  뮤텍스	세마포어
  프로세스 범위	시스템 범위
  프로세스 종료 시 자동 Clean up	파일 시스템 상의 파일로 존재

데드락

둘 이상의 프로세스가 다른 프로세스가 점유하고 있는 자원을 서로 기다릴 때 무한 대기에 빠지는 상황

발생 조건

• 상호 배제
• 한 번에 프로세스 하나만 해당 자원을 사용
• 점유 대기
• 자원을 최소한 하나 보유, 다른 프로세스에 할당된 자원을 점유하기 위해 대기하는 프로세스 존재
• 비선점
• 이미 할당된 자원을 강제로 빼사을 수 없음
• 순환대기
• 대기 프로세스의 집합이 순환 형태로 자원을 대기

해결법

• 예방
  • 상호배제 방지: 여러 프로세스가 한 번에 공유 자원을 사용할 수 있게 함
  • 점유대기 방지: 프로세스 실행에 필요한 모든 자원을 한꺼번에 요구하고 허용할 때까지 작업 보류, 나중에 또다른 자원을 점유하기 위한 대기 조건을 성립하지 않도록 함
  • 비선점 방지: 우선순위가 높은 프로세스 자원 선점
  • 순환 대기 방지: 자원을 순환 형태로 대기하지 않도록 일정한 한쪽 방향으로만 자원 요구
• 회피
• 탐지

 

가상 메모리

• 프로그램의 실제 메모리 주소가 아닌 가상 메모리 주소 방식
• RAM보다 더 큰 메모리 영역을 제공하는 방법 -> 디스크 공간을 메모리처럼 활용