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CS) 프로세스

tmddnr3503 2024. 12. 24. 21:56

1. 프로세스

  프로세스란 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램입니다. 프로그렘이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것이 프로세스입니다. 프로그램을 만드는 과정은 컴파일러가 컴파일 과정을 통해 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만들게됩니다. 컴파일 과정은 다음과 같습니다. ( C언어 기준 )

전처리 소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환합니다.
컴파일러 오류 처리, 코드 최적화 작업을 진행하고 어셈블리어로 변환합니다.
어셈블러 어셈블리어는 목적 코드( object code )로 변환됩니다.
링커 프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행 파일을 만듭니다.

 

이때, 라이브러리는 정적 라이브러리와 동적 라이브러리가있습니다.

  • 정적 라이브러리 : 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식
    • 장점
      • 외부 의존도가 낮아집니다
    • 단점
      • 코드 중복 등으로 인해 메모리 효율성이 떨어집니다.
  • 동적 라이브러리 : 프로그램 실행시 필요할 때만 DDL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법입니다.
    • 장점
      • 메모리 효율성이 좋습니다
    • 단점
      • 외부 의존도가 높아집니다.

 

2. 프로세스의 상태

 프로세스는 여러가지 상태값을 가집니다.

 생성 상태 ( Created )

 프로세스가 생성된 상태로 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성합니다. 이때, PCB가 할당됩니다. PCB에는 아래에 설명되어있습니다.

  • fork()
    • 부모 프로세스의 주소 공간을 복사하여 새로운 자식 프로세스를 생성합니다.
  • exec()
    • 새로운 프로세스를 생성하는 함수입니다.

 

 대기 상태 ( Ready)

 CPU를 할당 받기위해 대기중인 상태입니다. CPU만 주어지면 바로 실행되는 상태입니다.

 

 대기 중단 상태 ( Ready Suspended )

 메모리가 부족하여 일시 중단된 상태입니다.

 

 실행 상태 ( Running )

 CPU 소유권과 메모리를 항당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태입니다.

 

 중단 상태( Blocked )

 프로세스가 실행되다가 입출력 처리를 요청하거나, 바로 확보될 수 없는 자원을 요청하면 CPU 소유권을 양도하고 요청한 일이 완료되기를 기다리는 상태입니다.

 

중단 대기 상태( Blocked Suspended )

 대기 중단 상태와 유사한 상태입니다. 중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태입니다.

 

 종료 상태( Terminated )

 프로세스가 종료될 때 메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태입니다. PCB를 삭제합니다.

 

3. 프로세스의 메모리 구조

 운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당합니다. 위에서부터 스택( stack ), 힙( heap ), 데이터 영역( BSS segment, Data segment ), 코드 영역( code segment )으로 나눠집니다. 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당됩니다.

동적 영역 스택
↓
↑
힘
정적 영역 데이터 영역( BSS segment, Data segment )
코드 영역

 

 동적 영역

  • 스택 : 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역입니다.
  • 힙 : 동적으로 할당되는 변수들을 담습니다.

 정적 영역

  • BSS segment : 전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 되어있지 않은 변수들이 할당됩니다.
  • Data segment : 전역 변수 또는 static, cont로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 저장됩니다.
  • code segment : 프로그램의 코드가 저장됩니다.

 

4. PCB

 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'입니다. 프로세스 제어 블록이라고도 합니다. 

  • 메타 데이터 : 데이터에 관한 구조화 된 데이터로 데이터를 설명하는 작은 데이터입니다.

PCB의 구조

프로세스 스케쥴링 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

컨텍스트 스위칭이란 PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정입니다. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생합니다. 이때, 프로세스가 가지고있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게되고 이 때문에 캐시미스가 발생할 수 있습니다. 참고로 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어납니다.

 

5. 멀티프로세싱

 멀티프로세싱은 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 수행을 할 수 있는 것입니다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며, 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높다는 장점이있습니다.

 

웹 브라우저

 웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있습니다. 

  • 브라우저 프로세스 : 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권하능ㄹ 담당합니다.
  • 렌더러 프로세스 : 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어합니다.
  • 플러그인 프로세스 : 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어합니다.
  • GPU 프로세스 : GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어합니다.

 

IPC

 IPC란 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻합니다. IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있습니다.

  • 공유 메모리 : 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것입니다.
  • 파일 : 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터입니다.
  • 소켓 : 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미합니다. 예시로 TCP와 UDP가 있습니다.
  • 익명 파이프 : 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식입니다.
  • 명명된 파이프 : 파이프 서버오 ㅏ하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이브입니다. 클라이언트와 서버 간의 통신을 위한 별도의 파이프를 제공합니다.
  • 메시지 큐 : 메시지를 큐( queue ) 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미합니다.

6. 스레드와 멀티스레딩

 스레드

 프로세스의 실행 가능한 가장단위입니다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있습니다. 코드, 데이터, 스텍, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 스레드는 코드, 데이터, 힘은 스레드끼리 서 공유합니다.

 

 멀티스레딩

 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법으로 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높습니다.

  • 동시성 : 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것입니다.

멀티스레드의 예로는 웹 브라우저의 레더러 프로세스를 예로 들 수 있습니다.

 

7. 공유 자원과 임계 영역

 공유 자원

 공유 자원은 시스템 안에서 각 ㅡ로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미합니다. 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(  race condition )라고합니다. 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등의 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태입니다.

 

임계 역역

 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근 할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역입니다. 임계 영역을 해결하기 위한 방법으로 뮤텍스, 세마포이, 모니터 세가지가 있습니다. 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건입니다.

  • 상호 배제 : 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없습니다.
  • 한정 대기 : 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안됩니다.
  • 융통성 : 만약 어떠한 프로세스도 임계 영역을 사용하지 않는다면 임계 영역 외부의 어떠한 프로세스도 들어갈 수 없으며 이 때 프로세스끼리 서로 방해하지 않습니다.

뮤텍스

 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금을 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체입니다. 

세마포어

 일반화된 뮤텍스입니다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait 및 signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리합니다. wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이고, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수입니다.

  • 바이너리 세마포어 : 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어입니다. 구현이 유사히기때문에 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있습니다.
  • 카운팅 세마포어 : 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어입니다.

 

 모니터

 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근 할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공합니다. 모니터는 모니터 큐를 이용하여 자원에 대한 작업들을 순차적을 처리합니다.

 

8. 교착 상태

 두 개이상의 프로세스들이 서로 가진 자원을 기다리며 중단된 상태입니다. 교착 상태의 원인은 아래와 같습니다.

  • 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능합니다.
  • 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태입니다.
  • 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없습니다.
  • 환형 대기 : 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, B는 A의 자원을 요구하는 등 서로의 자원을 요구하는 상황입니다.

교착 상태의 해결방법은 아래와 같습니다.

  1. 자원을 할당핼 때 조건이 성립되지 않도록 설계합니다.
  2. 교착 상태의 가능성이 없을 떄만 자원을 할당합니다.
  3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 관련한 프로세스를 지웁니다.
  4. 교착 상태는 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료합니다.