[스터디3] 운영체제 - 03. 프로세스와 스레드

목차

 

이번에는 3.3 섹션 위주로 운영체제에 대해 학습하려고 합니다. 운영체제 또한, 네트워크와 마찬가지로 배웠던 내용이어도 새롭게 느껴지는 게 많았습니다.

3장 운영체제

3.1 운영체제와 컴퓨터

3.1.1 운영체제의 역할과 구조

• 운영체제의 역할
  • CPU 스케줄링과 프로세스 관리
  • 메모리 관리
  • 디스크 파일 관리
  • I/O 디바이스 관리
• 운영체제의 구조
  • 유저 프로그램
  • (GUI
  • 시스템콜
  • 커널
  • 드라이버) → 괄호 친 부분이 운영체제를 지칭함.
  • 하드웨어

▲ 운영체제의 구조

3.1.2 컴퓨터의 요소

• 컴퓨터는 CPU, DMA 컨트롤러, 메모리, 타이머, 디바이스 컨트롤러 등으로 구성됨.
  • CPU(Central Processing Unit): 산술논리연산장치, 제어장치, 레지스터로 구성되어 있는 컴퓨터 장치
    • 제어장치(CU: Control Unit): 프로세스 조작을 지시하는 CPU의 한 부품
    • 레지스터: CPU 안에 있는 매우 빠른 임시기억장치
    • 산술논리연산장치(ALU: Arithmetic Logic Unit): 덧셈, 뺄셈 같은 두 숫자의 산술 연산과 배타적 논리합, 논리곱 같은 논리 연산을 계산하는 디지털 회로
    • 하드웨어 인터럽트: 키보드를 연결하거나 마우스를 연결하는 등의 IO 디바이스에서 발생하는 인터럽트
    • 소트트웨어인터럽트: 트랩(trap). 프로세스 오류 등으로 프로세스가 시스템콜을 호출할 때 발동함.
  • DMA 컨트롤러: I/O 디바이스가 메모리에 직접 접근할 수 있도록 하는 하드웨어 장치
    • 메모리(memory): 전자회로에서 데이터나 상태, 명령어 등을 기록하는 장치
  • 타이머(timer): 몇 초안에는 작업이 끝나야 한다는 것을 정하고, 특정 프로그램에 시간 제한을 다는 역할을 함.
  • 디바이스 컨트롤러(device controller): 컴퓨터와 연결되어 있는 IO 디바이스들의 작은 CPU
    • 로컬 버퍼: 각 디바이스에서 데이터를 임시로 저장하기 위한 작은 메모리

3.3 프로세스와 스레드

• 프로세스(process): 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램
  • CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 같은 의미로 쓰임.
• 스레드: 프로세스 내 작업의 흐름

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정

• 프로세스: 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것
  • 예) 프로그램은 구글 크롬 프로그램(chrome.exe)와 같은 실행 파일이고, 클릭하면 구글 크롬 프로세스로 변환됨.
  • 예) 프로그램을 만드는 과정: C 언어 기반 프로그램의 경우, 컴파일러가 컴파일 과정을 통해 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만듦.
• 컴파일 과정
  • 전처리: 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환함.
  • 컴파일러: 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하여 어셈블리어로 변환함.
  • 어셈블러: 목적 코드(object code)로 변환함. 확장자는 운영체제마다 다름.
    • 예) 리눅스에서는 .o임.
  • 링커: 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듦. 실행 파일의 확장자는 .exe 또는 .out라는 확장자를 가짐.
  • 라이브러리 
    • 정적 라이브러리: 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 쓰는 방법
      • 장점: 시스템 환경 등 외부 의존도 낮음.
      • 단점: 코드 중복 등 메모리 효율성 떨어짐.
    • 동적 라이브러리: 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법
      • 장점: 메모리 효율성
      • 단점: 외부 의존도 높아짐.

▲ 프로그램의 컴파일 과정

3.3.2 프로세스의 상태

• 생성 상태(create): 프로세스가 생성된 상태
  
  • fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성하며, 이때 PCB가 할당됨.
    • fork(): 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수
    • exec(): 새롭게 프로세스를 생성하는 함수
• 대기 상태(ready): 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고, 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태
• 대기 중단 상태(ready suspended): 메모리 부족으로 일시 중단된 상태
• 실행 상태(running): CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태
• 중단 상태(blocked): 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태
• 일시 중단 상태(blocked suspended): 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태. (≒ 대기 중단 상태)

• 종료 상태(terminated): 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태
  • 자연스럽게 종료되는 것 + 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료로 종료되는 것

3.3.3 프로세스의 메모리 구조

▲ 프로세스의 메모리 구조

스택(stack)

• 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역
• 함수가 호출될 때마다, 재귀 함수가 호출될 때마다 스택이 사용됨.
• 스택은 위 주소부터 할당되고, 힙은 아래 주소부터 할당됨.
• 스택과 힙은 동적 할당이 됨.
  • 동적 할당: 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것

힙(heap)

• 동적으로 할당되는 변수들을 담음.
• malloc(), free() 함수를 통해 관리할 수 있음.
• 동적으로 관리되는 자료 구조는 힙을 사용함.

데이터 영역(BSS segment, Data segment)

• BBS segment와 Data segment, code/text segment로 나뉘어서 저장됨.
• BBS segment는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화되지 않은 변수들이 할당됨.
• Data segment는 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 할당됨.
• 데이터 영역과 코드 영역은 정적 할당됨.
  • 정적 할당: 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것

코드 영역(code segment)

• 프로그램의 코드가 들어감.

3.3.4 PCB

• PCB(Process Control Block): 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터
  • 프로세스 제어 블록이라고 함.
  • 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성함. 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고, 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당됨. 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리됨.
• PCB의 구조
  • 프로세스 스케줄링 상태: 준비, 일시중단 등 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태
  • 프로세스 ID: 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
  • 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
  • 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
  • CPU 레지스터: 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
  • CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
  • 계정 정보: 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
  • I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록
• 컨텍스트 스위칭(context switching): PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정
  • 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생함.
  • (싱글코어 기준) 컴퓨터가 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이는 이유는 어떠한 시점에서 실행되는 프로세스는 한 개이지만, 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문임.
  • 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면, 잘못된 주소 변환(→캐시클리어)이 생기면서 캐시미스가 발생함.
  • 스레드 컨텍스트 스위칭은 비용과 시간이 더 적음.

3.3.5 멀티프로세싱

• 멀티프로세싱: 여러 개의 프로세스(멀티프로세스)를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것
  • 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생해도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있어 신뢰성이 높음.
  • 멀티프로세스는 IPC(Inter Process Communication)가 가능함.
    • IPC: 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
• 웹 브라우저: 멀티프로세스 구조를 가짐.
  • 브라우저 프로세스
  • 렌더러 프로세스
  • 플러그인 프로세스
  • GPU 프로세스
• 공유 메모리(shared memory): 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어, 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것
• 파일: 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터
• 소켓: 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터. TCP와 UDP가 있음.
• 익명 파이프(unnamed pipe): 프로세스 간 FIFP 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식. 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며, 다른 네트워크상에서는 사용할 수 없음.
• 명명된 파이프(named pipe): 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신할 수 있음.
• 메시지 큐: 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것. 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 방법에 비해 직관적이고 간단함.

3.3.6 스레드와 멀티스레딩

• 스레드: 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
  • 코드, 데이터, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙을 공유함.
• 멀티스레딩: 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법
  • 스레드끼리 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음.
    • 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있어 중단되지 않은 빠른 처리가 가능함.
  • 동시성에도 장점이 있음.
    • 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에 영향을 끼쳐 스레드로 이루어진 프로세스에 영향을 줌.

3.3.7 공유 자원과 임계 영역

• 공유 자원(shared resource): 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등
  • 경쟁 상태(race condition): 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황
• 임계 영역(critical section): 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역
  • 해결 방법(상호 배제, 한정 대기, 융통성 3가지 조건 만족)
    1. 뮤텍스(mutex): 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고, 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체. 잠금 또는 잠금 해제 상태만을 가짐.
    2. 세마포어: 일반화된 뮤텍스. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수) 및 signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리함. 상호 배제를 명시적으로 구현해야 함.
       • wait(): 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
       • signal(): 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수 
       • 바이너리 세마포어: 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어
       • 카운팅 세마포어: 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어
    3. 모니터: 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공함. 세마포어보다 구현 쉬움. 모니터에서 상호 배제는 자동임.

3.3.8 교착 상태

• 교착 상태(deadlock): 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태
• 교착 상태의 원인
  • 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능함.
  • 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
  • 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음.
  • 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황
• 교착 상태의 해결 방법
  1. 자원을 할당할 때 조건이 성립되지 않도록 설계함.
  2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘을 사용함.
  3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아봄. 관련된 프로세스를 하나씩 지움.
  4. 교착 상태는 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 큼. 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료함. 현대 운영체제가 채택한 방법임.

 

이 글은 『 면접을 위한 CS 전공지식 노트 』 책을 학습한 내용을 정리한 것입니다.