[면접을 위한 CS 전공 지식 노트] 3.3 프로세스와 스레드

Section 3. 프로세스와 스레드

프로세스란?

컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램이며, 이는 곧 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 의미한다. CPU 스케줄링의 대장이 되는 작업(task)이라는 용어와 거의 같은 의미로 쓰인다. 

 

스레드란?

프로세스 내 작업의 흐름을 지칭한다.

 

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고, 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행한다. 

 

3.3.1 프로세스와 컴파일 과정

프로그램의 컴파일 과정

컴파일 과정

• 전처리
  • 주석 제거: 소스 코드에 작성된 //나 /* */로 된 주석을 다 지움. 주석은 프로그램 실행에 필요 없기 때문임.
  • 헤더 파일 추가: 코드에 #include <stdio.h> 같은 외부 파일을 가져오는 명령이 있으면, 실제 그 파일 내용을 가져와서 소스 코드에 붙임
  • 매크로 치환: #define SIZE 10처럼 매크로 정의가 있다면, 코드에 있는 SIZE를 모두 10으로 바꿈.
• 컴파일러: 오류 처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환함.
• 어셈블러: 어셈블리 언어(Assembly Language)(사람이 읽을 수 있는, 기계어와 가까운 언어)로 작성된 코드를 기계어(Machine Code)로 변환하는 프로그램입니다.
• 링커: 여러 개의 프로그램 코드와 라이브러리 파일을 하나로 묶어 실행 가능한 파일(예: .exe 또는 .out)을 만드는 프로그램이다.
  • 컴파일 후에는 각 코드 파일이 별도의 목적 파일(Object File)로 존재한다.
  • 목적 파일은 완전한 프로그램이 아니어서 혼자 실행될 수 없다.
  • 링커는 이 목적 파일들을 연결(링크)하고, 필요한 라이브러리(예: printf 같은 함수가 정의된 파일)도 결합하여 완전한 실행 파일로 만들어준다.
• 라이브러리
  • 정적 라이브러리: 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 쓰는 방법이다. 
    • 장점: 시스템 환경 등 외부 의존도가 낮다.
    • 단점: 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어진다.
  • 동적 라이브러리: 프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러를 쓰는 방법이다. 
    • 장점: 메모리 효율성
    • 단점: 외부 의존도가 높음

 

3.3.2 프로세스의 상태

프로세스 상태 관계

• 생성 상태
  • 프로세스가 막 생성되어 운영체제(OS)가 해당 프로세스를 관리하기 위해 준비하는 초기 단계이다. fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다. 이 단계에서 PCB(Process Control Block, 프로세스의 모든 정보를 저장하는 데이터 구조)가 할당된다. 
    • fork()
      • 부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사한, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수이다. 
      • 주소 공간만 복사한다. 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하진 않는다.
    • exec(): 새롭게 프로세스를 생성하는 함수이다.
• 대기 상태
  • 메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고
  • 충분x면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태이다.
• 실행 상태: CPU 소유권과 메모리를 할당받고 명령어(instruction)을 수행 중인 상태를 의미한다. 이 상태에서는 프로세스의 CPU 연산이 이루어지면, 이를 CPU Burst라고도 한다.
• 중단 상태(blocked): 어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태이다. I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 발생하는 현상을 예로 들자면, 프린트 인쇄 버튼을 눌렀을 때 프로세스가 잠깐 멈춘 듯할 때가 있는 상태가 있다. 
• 일시 중단 상태(blocked suspended): 대기 중단과 유사하다. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다.
• 종료 상태(terminated): 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태를 말한다. 
  1. 자발적 종료
  2. 비자발적 종료(abort): 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 경우
     1. 자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어섰을 때
     2. 부모 프로세스가 종료됐을 때
     3. 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때

 

3.3.3 프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 메모리 할당 시, 다음 구조를 기반으로 한다.

 

프로세스의 메모리 구조

동적 할당이란?

프로그램 실행 중에 필요한 만큼의 메모리를 운영체제에서 요청하여 사용하는 방식을 말한다. 이는 프로그램 작성 시점에 미리 크기를 정하지 않고, 런타임(실행 시점)에 메모리를 할당하는 것을 의미한다.

 

• 메모리를 프로그램 실행 중에 필요에 따라 할당하고, 더 이상 필요 없으면 해제
• 메모리 위치: 스택, 힙
• 크기나 수량이 미리 고정되지 않은 데이터를 처리 시 유용

 

1. 스택: 함수 실행과 관련된 데이터를 관리하는 메모리 영역, LIFO 구조를 따름, 위 주소부터 할당됨.
   
   • 프로그램이 실행 중에 함수를 호출할 때마다 스택에 새로운 공간(스택 프레임)이 만들어집니다.
   • 이 공간은 지역 변수, 매개변수, 함수 실행 상태를 저장합니다.
   • 함수 실행이 끝나면 해당 공간이 스택에서 제거됩니다.
   • 재귀함수가 호출된다고 했을 때, 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 각각의 호출은 독립적 작업 공간을 가지고, 이전 호출의 변수와 충돌하지 않는다. 
2. 힙: 프로그램이 실행 중에 필요한 만큼 메모리를 요청해서 사용하는 공간임. 동적 메모리 할당이 이루어지는 영역이며, 프로그래머가 직접 메모리를 요청하고 해제해야 함. 아래 주소부터 할당됨.
   • 동적으로 할당되는 변수들을 담는다.
   • 메모리 할당(malloc()), 해제(free()) 함수를 통해 관리할 수 있다. 
   • 동적으로 관리되는 자료 구조(LinkedList, Tree)의 경우 힙 영역을 사용한다. 

 

정적 할당이란?

프로그램이 실행되기 전에, 컴파일 시점에 고정된 크기의 메모리를 할당하는 방식이다.

• 고정된 크기
• 컴파일 시점 결정: 컴파일 시, 메모리의 크기와 위치가 미리 결정됨. 실행 중에는 메모리 크기 변경 불가.
• 빠른 속도: 정적 할당은 런타임에 운영체제와 상호작용할 필요가 없으므로, 동적 할당보다 빠름.
• 자동 해제: 스택에 할당된 정적 메모리는 함수 종료 시 자동으로 해제됨. 데이터 영역에 할당된 전역/정적 변수는 프로그램 종료 시 해제됨.

 

1. 데이터 영역
   • BSS segment: 전역 변수, static, const로 선언되어 있음. 초기화 0 또는 어떤 값으로도 안되어 있는 변수들이 이 메모리 영역에 할당됨.
   • Data segment: 전역 변수, static, const로 선언되어 있음. 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당됨
2. 코드 영역 
   • code/text segment: 프로그램의 코드가 들어감

 

3.3.4 PCB

PCB 구조

PCB(Protocol Control Block)란? 

 

• 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 데이터 구조이다. 
• 프로세스에 대한 메타데이터(프로세스 상태, 주소 정보 등)가 저장된 프로세스의 제어 블록이라고도 한다.
• 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다.
• 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

 

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: PCB 교환 과정

어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한 개이며, 다른 프로세스와의 컨텍스 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문에 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보인다.(싱글코어 기준)

 

컨텍스트 스위칭이 일어날 때는 유휴 시간(idle time)이 발생하고 비용: 캐시미스가 든다.

• 비용: 캐시미스: 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 갖고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

스레드에서도 컨텍스트 스위칭이 일어난다. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유한다. 공유된 메모리 정보를 건드리지 않아도 되기 때문에 비용이 적고 시간도 더 적게 걸린다. 반면, 프로세스 간 컨텍스트 스위칭은 각각 독립적인 메모리 공간(코드, 데이터, 힙)을 사용하므로 모든 상태를 저장하고 복구해야 해서 더 많은 비용과 시간이 필요합니다.

 

 

3.3.5 멀티프로세싱

멀티프로세싱이란?

여러 CPU나 코어를 사용해 여러 작업을 동시에 처리하여 시스템 성능을 향상시키는 기술이다. 멀티프로세스를 통해 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있게 된다. 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있어 신뢰성이 높다.

 

웹 브라우저의 멀티프로세스 구조

• 브라우저 프로세스: 네트워크 요청, 파일 접근 같은 권한 담당
• 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 '보이는' 부분의 모든 것 제어
• 플러그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인 제어
• GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

IPC(Inter Process Communication): 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 매커니즘을 뜻한다. 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

1. 공유 메모리
   • 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유하여 통신한다.
   • 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르다.
   • 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.
   • 공유 메모리는 RAM을 가리키기도 한다.
2. 파일
   • 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에 제공한 데이터를 말한다. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.
3. 소켓
   • 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.
   • 소켓 통신의 종류
     1. TCP 소켓
        1. 연결 기반.
        2. 신뢰할 수 있는 데이터 전송(패킷 손실 없음).
        3. 전화처럼 연결을 먼저 맺은 뒤 통신.
     2. UDP 소켓:
        1. 비연결 기반.
        2. 빠른 데이터 전송(약간의 패킷 손실 가능).
        3. 편지처럼 연결 없이 데이터 전송.
4. 파이프
   • 프로세스 간 통신(IPC, Inter-Process Communication)**을 위해 데이터를 주고받는 하나의 데이터 통로이다.
   • 데이터를 한쪽 프로세스에서 쓰고(write), 다른 쪽 프로세스에서 읽는(read) 방식으로 동작한다.
   • 파이프는 FIFO(First In, First Out) 구조를 따른다. 즉, 먼저 들어간 데이터가 먼저 나온다. 
     1. 익명 파이프(unamed pipe)
        • 익명 파이프는 부모-자식 프로세스 간의 통신을 위해 사용된다.
        • 파이프에 이름이 없어서 같은 부모-자식 관계 내에서만 사용 가능하다.
        • 부모-자식 관계:
          • 익명 파이프는 반드시 한 프로세스가 다른 프로세스를 생성한 경우(부모-자식 관계)에서만 동작.
          • 프로세스를 생성할 때 파이프가 함께 만들어짐.
        • 단방향 통신:
          • 한쪽에서 쓰고(write), 다른 쪽에서 읽는(read) 단방향 통신 방식.
          • 양방향 통신이 필요하면 두 개의 파이프를 사용해야 함.
        • 제한된 범위:
          • 같은 시스템 내에서 부모와 자식 간에만 사용 가능.
        • 파일 시스템에 없음:
          • 이름이 없으므로 파일 시스템에 나타나지 않음.
     2. 명명된 파이프(named pipe)
        • 명명된 파이프는 이름을 가진 파이프로, 서로 다른 두 프로세스 간 통신을 위해 사용된다.
        • 이름이 파일 시스템에 등록되기 때문에, 부모-자식 관계가 아닌 독립된 프로세스 간에도 통신 가능하다.
        • 이름이 있음:
          • 명명된 파이프는 파일 시스템에 이름이 등록되며, 이를 통해 프로세스 간 식별이 가능.
          • 예: /tmp/mypipe
        • 독립된 프로세스 통신 가능:
          • 부모-자식 관계 없이도, 같은 시스템의 다른 프로세스 간 통신 가능.
        • 양방향 통신 가능:
          • 단방향 또는 양방향 통신 모두 지원.
        • 파일 시스템에 표시:
          • 파일 시스템에서 특수 파일로 나타나며, 이를 통해 접근.
          • Unix/Linux에서는 mkfifo 명령어로 생성.
5. 메시지 큐
   • 메시지 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 
   • 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하다.
   • 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다. 
   • 공유메모리의 대안이 되기도 한다. IPC 구현 시, 쓰기읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능 구현이 복잡해지기 때문이다. 

 

3.3.6 스레드와 멀티스레딩

스레드란? 

프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.  

 

프로세스와 멀티스레드

• 프로세스: 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성함
• 이와 달리 스레드: 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유함. 그 외의 영역은 각각 생성됨.

멀티스레딩이란?

• 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이다.
• 장점
  • 스레드끼리 서로 자원을 공유하여 효율성이 높음. 
    • 예) 새 프로세스 생성 대신 스레드 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비한다. 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있어 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다.
  • 동시성: 하나의 프로그램에서 여러 스레드가 같은 시간에 번갈아가며 실행되는 것
• 단점
  • 한 스레드의 문제가 다른 스레드에도 영향을 끼친다. 프로세스 전체에 영향을 줄 수 있다. 
• 예시
  • 웹 브라우저의 렌더러 프로세스: 웹 브라우저에서 화면에 콘텐츠를 표시하는 역할을 한다. 멀티 스레딩을 활용하여 렌더링, 사용자 입력, 네트워크 요청을 병렬로 처리해 빠르고 부드러운 사용자 경험을 제공한다. 
    • 메인 스레드: 웹 페이지의 주요 작업을 담당하며 중심적인 역할을 한다.
    • 워커 스레드: 보조적인 작업(예: 복잡한 계산)을 처리한다.
    • 컴포지터 스레드: 화면 요소를 레이어 단위로 합성하여 화면 표시를 준비한다.
    • 래스터 스레드: "레이어를 실제 픽셀로 변환하여 화면에 출력한다.

 

3.3.7 공유 자원과 임계 영역

공유 자원이란?

시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원이나 변수(모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등)을 의미한다.

• 경쟁 상태(race condition): 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황
• = 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태이다.
• 해당 상태에서 실제로 결과가 달라진다면..? -> 임계 영역이라는 문제 발생

 

임계 영역이란?

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서들의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.

 

• 임계 영역의 해결
• 잠금(lock) 이라는 매커니즘을 활용한다. (한 사람이 들어가면 문을 잠그고, 다음 사람이 기다리다 그 사람이 나오면 화장실을 쓰는 개념)
• 조건
  • 상호 배제: 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없음.
  • 한정 대기: 특정 프로세스가 영원히임계 영역에 들어가지 못하면 안 됨.
  • 융통성: 한 프로세스가 다른 프로세스의일을 방해해서는 안 됨.
• 종류
  1.  뮤텍스
     • lock()을 통해 잠금 후 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다. 잠금/ 잠금 해제라는 상태만을 가진다. 
  2. 세마포어
     • 일반화된 뮤텍스이다.
     • wait()(P 함수, 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수), signal()(V 함수, 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
     • 모니터와 달리 상호 배제를 명시적으로 구현해야 한다. (수동)
       1. 바이너리 세마포어
          1. 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다
          2. 신호 메커니즘이다. 신호 기반? 휴대폰에서 노래를 듣다가 전화가 오면 노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는 상황을 생각하면 된다.
       2. 카운팅 세마포어
          1. 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이다. 
          2. 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용된다. 
  3. 모니터 
     • 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.   
     • 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로처리한다.
     • 세마포어보다 구현이 쉬우며 상호 배제가 '자동'이다. 

 

3.3.8 교착 상태

교착 상태(deadlock)란?

두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원이 처리될 것을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

 

• 원인
  • 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으면 다른 프로세들은 접근이 불가능
  • 점유 대기: 특정 프로세스가 이미 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
  • 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
  • 환형 대기: 서로가서로의 자원을 요구하는 상황
•  해결 방법
  • 자원을 할당할 때, 교착 상태의 조건이성립되지 않도록설계한다.
  • 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당한다. 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는  '은행원 알고리즘'을 쓴다.
  • 교착 상태가 발생하면, 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.