본 글은 책 "혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제" 의 Chapter 10. 프로세스와 스레드 부분을 읽고 정리한 내용입니다.

10-1. 프로세스 개요

• 실행중인 프로그램
• 실행되기 전까지는 보조기억장치에 있는 데이터 덩어리일 뿐이지만, 메모리에 적재되고 실행되는 순간 프로세스가 됨

ps 명령어로 프로세스 직접 확인하기

• ps: process status

$ ps -ef        
  UID   PID  PPID   C STIME   TTY           TIME CMD
    0     1     0   0 Tue11PM ??         3:49.05 /sbin/launchd
    0   298     1   0 Tue11PM ??         2:45.95 /usr/libexec/logd
    0   299     1   0 Tue11PM ??         0:00.11 /usr/libexec/smd
    0   300     1   0 Tue11PM ??         0:09.75 /usr/libexec/UserEventAgent (System)

• -e: 커널 프로세스를 제외한 모든 프로세스를 출력
• -f: 출력을 풀 포맷으로 표기 (유닉스 스타일) UID, PID , PPID 등이 함께 표시
  • UID: Process owner의 user id

프로세스 종류

• 포그라운드 프로세스(Foreground process): 사용자가 보는 앞에서 실행되는 프로세스
• 백그라운드 프로세스(Background process): 뒷편에서 실행되는 프로세스로 사용자와 직접 상호작용 할 수있는 백그라운드 프로세스도 있지만 묵묵히 정해진 일만 수행하는 백그라운드 프로세스도 있음
  • daemon: 유닉스 체계의 운영체제에서 부르는 백그라운드 프로세스
  • service: windows 에서 부르는 백그라운드 프로세스

프로세스 제어 블록

• 프로세스들은 차례대로 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU를 이용
• 시간이 끝났음을 알리는 인터럽트(타이머 인터럽트)가 발생하면 프로세스 자신의 차례를 양보하고 다음 차례가 올때까지 기다림

프로세스 제어 블록 (Process Control Block, PCB)

• 프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료구조 like 상품에 달린 태그 (커널 영역에 생성됨)
• 운영체제는 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스의 실행 순서를 관리하고 CPU등의 자원을 분배하기 위해 이용
• 프로세스 생성 시에 만들어지고 실행이 끝나면 폐기됨

PCB에 담기는 정보

1. Process ID (PID)
   1. 특정 프로세스를 식별하기 위해 부여하는 고유한 번호
2. 레지스터 값
   1. 프로세스는 자신의 실행차례가 돌아오면 이전까지 사용했던 레지스터의 중간값들을 모두 복원해서 이전까지 진행했던 작업들을 그대로 이어 실행. (프로그램 카운터, 스택 포인터)
3. 프로세스 상태
   1. 입출력장치를 사용하기 위해 기다리는 상태인지, CPU 사용을 위해 기다리는 상태인지, CPU 이용중인지 등
4. CPU 스케쥴링 정보
   1. 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받았는지에 대한 정보
5. 메모리 관리 정보
   1. 프로세스가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보
   2. 베이스 레지스터, 한계 레지스터 값, 페이지 테이블 정보(14장)
6. 사용한 파일과 입출력장치 목록

문맥 교환(Context Switch)

• 한 프로세스 → 다른 프로세스로 실행 순서가 넘어가면?

문맥: 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보로 PCB에 표현되어있음

⇒ 기존의 실행중인 context를 백업하고 새로운 프로세스 실행을 위해 context를 복구하는 과정

• 여러 프로세스가 끊임없이 빠르게 번갈아가며 실행되는 원리

프로세스의 메모리 영역

• 프로세스가 생성되면 커널 영역에 PCB가 생성됨
• 사용자 영역에는?
  • 코드 영역
  • 데이터 영역
  • 힙 영역
  • 스택 영역

코드 영역 (code segment)

• 텍스트 영역이라고도 부르고 기계어로 이루어진 명령어가 저장됨
• 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 담겨 있기 때문에 쓰기가 금지됨 (read-only)

데이터 영역

• 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간
• EX) 전역 변수 (Global variable)

코드 영역과 데이터 영역은 크기가 고정된 영역이라는 점에서 정적 할당 영역이라고도 부름

• 동적 할당 영역: 힙 & 스택 영역으로 프로세스 실행 과정에서 그 크기가 변할 수 있는 영역

힙 영역 (heap segment)

• 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간
• 프로그래밍 과정에서 메모리 공간을 할당했다면 언젠가는 반환해야하는 공간
• 반환하지 않으면 메모리 내에 계속 남아 메모리 낭비를 초래 ⇒ memory leak

스택 영역 (Stack segment)

• 데이터를 일시적으로 저장하는 공간
• 데이터 영역에 담기는 값과 달리 잠깐 쓰다가 말 값들이 저장되는 공간 (ex) 매개변수, 지역변수)

힙 영역과 스택 영역은 실시간으로 그 크기가 변할 수 있기 때문에 동적 할당 영역이라고 부름

• 힙: 낮은 주소 → 높은 주소
• 스택: 높은 주소 → 낮은 주소

10-2. 프로세스 상태와 계층 구조

프로세스 상태

• 프로세스는 여러 상태를 거치며 실행됨

생성 상태 (new)

• 프로세스를 생성 중인 상태
• 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태
• 생성 상태를 거쳐 실행할 준비가 완료된 프로세스는 곧바로 실행되지 않고 준비 상태가 되어 CPU 할당을 기다림

준비 상태 (ready)

• 당장이라도 CPU를 할당받아 실행할 수 있지만, 아직 차례가 아니라 기다리고 있는 상태

실행 상태 (running)

• CPU를 할당받아 실행중인 상태
• 할당된 일정 시간 동안만 CPU를 사용할 수 있음
• 할당된 시간을 모두 사용한다면(타이머 인터럽트 발생) 다시 준비 상태가 되고, 실행 도중 입출력 장치를 사용하여 입출력 장치의 작업이 끝날 때까지 기다려야 한다면 대기 상태가 됨

• 디스패치(dispatch): 준비 상태 → 실행 상태 로 프로세스가 전환되는 것

대기 상태 (blocked)

• 입출력 작업을 요청한 프로세스가 입출력장치의 작업을 기다리는 상태로 완료되면 다시 준비 상태로 CPU 할당을 기다림

종료(terminated)

• 프로세스가 종료된 상태로 운영체제는 PCB와 프로세스가 사용한 메모리를 정리

프로세스 계층 구조

• 프로세스는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 프로세스를 생성할 수 있음
  • 부모 프로세스(Parent process) : 새 프로세스를 생성한 프로세스
  • 자식 프로세스(child process) : 부모 프로세스에 의해 생성된 프로세스
  • 둘은 각자 다른 PID를 가지고 일부 운영체제에서는 자식 프로세스의 PCB에 부모 프로세스의 PID인 PPID가 기록되기도 함

프로세스 생성 기법

fork: 자기 자신 프로세스의 복사본을 만드는 시스템 호출

• 부모 프로세스는 fork 시스템 호출을 통해 자신의 복사본을 자식 프로세스로 생성
• 부모 프로세스의 자원들 (메모리 내의 내용, 열린 파일 목록) 이 상속됨
  • PID값이나 저장된 메모리 위치는 다름

exec: 새로운 프로그램 내용으로 전환하여 실행하는 시스템 호출

• 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어씀
• 코드/데이터 영역의 내용이 실행할 프로그램의 내용으로 바뀌고 나머지 영역은 초기화됨

from multiprocessing import Process
import os

def foo():
    print('child process', os.getpid())
    print('my parent is', os.getppid())
  
if __name__ == '__main__':
    print('parent process', os.getpid())
    child = Process(target=foo).start()

parent process 6488
child process 27724
my parent is 6488

10-3. 스레드(Thread)

프로세스와 스레드

• 전통적인 관점에서 하나의 프로세스는 한번에 하나의 일만 처리 → 단일 스레드 프로세스

• 스레드라는 개념이 도입되면서 하나의 프로세스가 한번에 여러 일을 동시에 처리 → 멀티스레드 프로세스

• 스레드는 프로세스의 자원을 공유함
  • 실행에 필요한 최소한의 정보(프로그램 카운터를 포함한 레지스터, 스택)만을 쓰레드마다 가지며 다른 코드를 실행하고 나머지 힙/데이터 영역은 공유

멀티 프로세스와 멀티 스레드

동일한 작업을 수행하는 단일 스레드 프로세스 여러개 실행 vs 하나의 프로세스를 여러 스레드로 실행하면 어떤 차이가?

• 프로세스끼리는 기본적으로 자원을 공유하지 않음

• 쓰레드끼리는 같은 프로세스 내 자원을 공유 → 협력과 통신에 유리
  • 코드, 데이터, 힙, 파일
  • 때로는 쓰레드가 공유하는 자원에서 문제가 발생해서 다른 쓰레드들에도 영향을 미칠 수 있음쓰레드끼리는 같은 프로세스 내 자원을 공유 → 협력과 통신에 유리

import threading
import os

def foo():
    print('thread id', threading.get_native_id())
    print('process id', os.getpid())

if __name__ == '__main__':
    print('process id', os.getpid())
    thread1 = threading.Thread(target=foo).start()
    thread2 = threading.Thread(target=foo).start()
    thread3 = threading.Thread(target=foo).start()

process id 11912
thread id 20044
process id 11912
thread id 26056
process id 11912
thread id 21764
process id 11912

• thread의 id는 다르지만 모든 pid는 같음

참고

1. 책 "혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제"
2. 유튜브 "혼자 공부하는 컴퓨터 구조 + 운영체제"