프로세스와 스레드
OperatingSystem - Process, Thread
◼︎ 프로세스(Process)
프로세스는 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램이다. 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스로, 시스템 자원과 CPU를 할당받아 실행된다. 각 프로세스는 독립된 메모리 영역을 가지며, 실행 상태, 우선 순위, 프로그램 카운터 등의 정보를 포함하는 프로세스 제어 블록(PCB)에 의해 관리된다.
프로세스를 생성하는 동안 운영 체제는 여러 작업을 수행한다. 프로세스를 식별하기 위해 PID가 필요한데, 운영체제는 다중 프로그래밍을 지원하기에 모든 프로세스를 추적해야 한다. 이 때 필요한 것이 PCB이다.
프로세스 제어 블록(PCB)
프로세스 제어 블록(PCB)은 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 데이터 구조이다.
프로세스의 상태, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, 우선순위, 메모리 관련 정보 등 프로세스의 중요한 정보를 저장하고 있다. 프로세스가 생성될 때마다 PCB도 생성되고, 프로세스가 소멸되면 PCB도 소멸된다.
PCB에 저장되어 있는 정보
- 프로세스 현재 상태, 프로세스의 우선순위, 프로세스에 할당된 자원에 대한 정보, CPU 레지스터 정보
프로세스 ID(PID): 각 프로세스의 고유 식별자입니다. 프로세스 상태: 프로세스가 현재 실행 중인지, 준비 중인지, 보류 중인지, 중지되었는지 여부를 나타냅니다. 프로그램 카운터는 다음에 실행될 명령어의 주소를 저장합니다. CPU 레지스터: 컨텍스트 전환을 위한 현재 CPU 레지스터 값을 저장합니다. 메모리 관리 정보: 메모리 할당 및 프로세스 사용량에 대한 정보입니다.
► 프로세스 상태 전이
프로세스 상태 전이란
프로세스 상태 전이는 운영 체제가 프로세스 관리를 효율적으로 수행하기 위한 기능이다. 프로세스는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료 등 다양한 상태를 가지며, 이러한 상태는 프로세스의 수행 과정에 따라 변한다. 이 상태의 변화를 관리하고 추적함으로써 운영 체제는 CPU 스케줄링을 효율적으로 수행하고, 시스템 자원을 적절히 할당하며, 프로세스 간의 동기화 문제를 해결할 수 있다.
프로세스는 생성되어 실행되고 종료될 때까지 아래와 같은 상태 전이를 거치게 된다.
| 상태 | 설명 |
|---|---|
| 시작(Start) | 프로세스가 처음 생성 |
| 준비(Ready) | 프로세스가 CPU를 할당받기를 기다리며, 이 상태에서 스케줄러에 의해 CPU가 할당 |
| 실행(Running) | CPU가 프로세스에 할당되어 명령어들이 실행되는 상태 |
| 대기(Waiting) | 프로세스가 어떤 이벤트(예: I/O 작업)를 기다리는 상태. 이 이벤트가 발생하면 프로세스는 다시 준비 상태가 된다. |
| 종료(Terminated) | 프로세스의 실행이 완료되었고, 프로세스가 시스템에서 제거되는 상태 |
상태 전이 동작
| 동작 | 설명 |
|---|---|
| 준비→실행(Dispatch) | 우선순위가 높은 프로세스 선정하여 명령어 실행 |
| 실행→준비(Timer runout) | 클럭이 인터럽트를 발생시켜 제어권을 빼앗음(Preemption, 독점 방지) |
| 실행→대기(Block) | 프로세서가 입출력, 자원 등을 기다리기 위해 대기로 전환 |
| 대기→준비(Wake up) | 입출력이 완료되거나 자원이 할당되어 다시 실행 |
| Swap-out(Suspend) | 준비(대기) 상태에서 기억 장치를 반납하고 지연 준비(지연 대기) 상태로 전이 |
| Swap-in(Resume) | 지연 준비(지연 대기) 상태에서 기억 장치를 할당받아 준비(대기) 상태로 전이 |
상태 종류
| 상태 | 설명 |
|---|---|
| New | 프로세스가 막 생성된 상태 |
| Ready | 프로세스가 CPU에 실행되기 위해 대기하는 상태 |
| Running | 프로세스에 포함된 명령어가 실행되고 있는 상태 |
| Waiting | 프로세스가 특정 자원이나 이벤트를 기다리는 상태 |
| Suspended Waiting | 프로세스가 대기 상태에서 기억 장치를 잃은 상태 |
| Suspended Ready | 프로세스가 기억장치를 제외한 다른 모든 필요한 자원들을 보유한 상태 |
| Terminated | 프로세스가 실행을 완료한 상태 |
◼︎ 프로세스 교착상태
프로세스 교착상태(데드락, Deadlock)
두 개 이상의 프로세스가 서로 상대방에게 할당된 자원을 요구하면서 무한 대기 상태에 빠지는 현상을 말한다.
교착상태는 왜 발생하는가?
교착상태가 발생하는 네 가지 조건
| No | 항목 | 설명 |
|---|---|---|
| 1 | 상호 배제(Mutual Exclusion) | 한 프로세스가 사용하는 자원을 다른 프로세스가 사용할 수 없는 상태 |
| 2 | 점유와 대기(Hold and Wait) | 자원을 할당받은 상태에서 다른 자원을 할당 받기를 기다리는 상태 |
| 3 | 비선점(Non-Preemption) | 어떤 프로세스도 다른 프로세스의 자원을 강제로 뺏지 못하는 상태 |
| 4 | 환형(순환) 대기(Circular Wait). | 이미 자원을 가진 프로세스가 앞, 뒤의 프로세스를 요구한다. 즉, 원의 형태로 자원을 대기하는 상태 |
교착상태를 예방할 방법은?
| No | 항목 | 설명 |
|---|---|---|
| 1 | 예방 | 교착상태가 발생하지 않도록 사전에 시스템을 제어 |
| 2 | 회피 | 교착상태의 발생 가능성을 인정하고, 교착상태가 발생하려고 할 때 교착상태 가능성을 피해가는 방법 → 주로 은행가 알고리즘, Wound-Wait, Wait-Die를 사용 |
| 3 | 발견 | 교착상태 발생여부를 검사하여 교착상태에 빠진 프로세스와 자원을 발견 |
| 4 | 회복 | 교착상태에 빠진 프로세스를 종료하거나, 자원을 선점하여 다른 프로세스에 할당 |
◼︎ 스레드(Thread)
스레드
프로세스 내에서 실제로 작업을 수행하는 주체로, 모든 프로세스에는 한 개 이상의 스레드가 존재하여 작업을 수행한다. 또한, 환경에 따라 두 개 이상의 스레드를 가지는 프로세스를 멀티스레드 프로세스라고 한다.
프로세스와 스레드의 차이?
내가 이해한 바로는 스레드는 프로세스의 하위 집합이다. 실제 프로세스와 유사하지만, 프로세스의 컨텍스트 내에서 실행되고 커널이 프로세스에 할당한 동일한 리소스를 공유하기에 ‘경량 프로세스’ 라고도 할 수 있다.
| 프로세스 | 스레드 | |
|---|---|---|
| 1 | 모든 프로그램이 실행 중 | 프로세스의 일부 |
| 2 | 프로세스 생성, 종료에 더 많은 시간 소요 | 생성, 종료 시간이 프로세스보다 less 소요 |
| 3 | 컨텍스트 전환에 더 많은 시간 소요 | 컨텍스트 전환에 시간 less 소요 |
| 4 | - | 스레드는 주로 통신 측면에서 효율적 |
| 5 | - | 단일 프로세스가 여러 스레드로 구성되므로, 여러 프로그램을 실행할 필요가 없다 |
즉, 프로세스와 스레드의 차이는
- 프로세스는 독립적인 실행 환경을 가지며, 스레드는 프로세스의 하위 집합으로서 해당 프로세스의 리소스를 공유한다.
- 프로세스의 생성 및 종료에는 많은 시간이 소요되지만, 스레드의 생성 및 종료는 비교적 빠르다.
- 프로세스 간의 컨텍스트 전환은 시간이 많이 소요되지만, 스레드 간의 컨텍스트 전환은 빠른 편이다.
- 스레드는 통신 측면에서 효율적이며, 단일 프로세스 내에서 여러 작업을 동시에 처리할 수 있다.
왜 프로세스와 스레드를 분리한 거지
궁극적 이유는 효율적인 시스템 운영과 자원 관리.
프로세스는 독립적인 실행 환경을 가지며 서로 다른 프로세스 간에는 자원을 공유하지 않는다. 그러나 이러한 독립성은 프로세스 간 통신을 복잡하게 만들고, 프로세스를 생성하거나 제거하는 데 상대적으로 많은 비용이 들게 한다.
반면에, 스레드는 같은 프로세스 내에서 메모리와 자원을 공유하면서 독립적으로 실행될 수 있다. 이는 스레드 간 통신을 간단하게 만들고, 스레드를 생성하거나 제거하는 데 드는 비용을 줄인다. 또한, 하나의 프로세스 내에서 두 개 이상의 스레드가 동시에 작업하는 멀티 스레딩은 프로세스 내에서 병렬 작업을 가능하게 하여 프로그램의 효율성을 높일 수 있다.
◼︎ 프로세스 스케쥴링
프로세스 스케쥴링에는 선점형, 비선점형 스케쥴링이 있다.
선점형 스케줄링 (Preemptive Scheduling)
선점형 스케줄링에서, 운영체제는 현재 실행 중인 프로세스를 중지하고 다른 프로세스를 실행할 수 있는 권한을 가지고 있다. 이는 새로운 프로세스가 더 높은 우선순위를 가지고 있거나, 현재 실행 중인 프로세스가 필요한 시간을 초과했을 때 발생한다.
SRT, MLQ(다단계 큐), MLFQ(다단계 피드백 큐), RR(라운드-로빈)
비선점형 스케줄링 (Non-Preemptive Scheduling)
한편, 비선점형 스케줄링에서는 한 프로세스가 시작되면 완료될 때까지 계속 실행된다. 운영체제는 일단 프로세스가 CPU를 할당받으면 그 프로세스가 종료되거나 대기 상태로 전환될 때까지 CPU를 회수할 수 없다. 이 방식의 주요 이점은 프로세스가 자원을 독점하고, 결과를 보장하고, 일관성을 유지할 수 있다는 점이다. 하지만 이 방식은 프로세스의 실행 시간이 길 경우 다른 프로세스가 오랫동안 대기해야 하는 단점이 있다.
우선순위, 기한부, HRN, FCFS, SJF
무엇을 기준으로 운영 체제는 스케줄링 방식을 선택하는가
- 시스템의 성능 목표: 시스템이 높은 처리량을 목표로 하거나, 사용자의 응답 시간을 최소화하는 것이 중요한 경우 선점형 스케줄링을 사용한다. 반면, 시스템이 안정적인 성능을 유지하는 것이 중요한 경우 비선점형 스케줄링을 선택할 수 있다.
- 프로세스의 특성: 프로세스가 사용자와의 상호작용을 많이 하는 경우(예: GUI 애플리케이션) 빠른 응답 시간이 필요하여 선점형 스케줄링이 적합할 수 있다. 반면, 배치 처리와 같이 사용자와의 상호작용이 적고 일관된 성능이 필요한 프로세스는 비선점형 스케줄링이 적합하다.
- 시스템의 자원 상태: 시스템의 CPU 사용률, 메모리 사용량 등 자원의 상태에 따라 스케줄링 방식을 선택할 수 있다. 예를 들어, CPU 사용률이 높은 경우 선점형 스케줄링을 통해 CPU 자원을 공정하게 분배할 수 있다.
2024년 2월 20일
✏️ Appendix
추가 정리
- 멀티프로세싱: 컴퓨터 시스템은 한 번에 여러 프로세스를 실행할 수 있다. 이를 멀티프로세싱이라고 한다. 이를 위해 운영체제는 CPU 스케줄링 알고리즘을 사용하여 각 프로세스에 CPU를 공정하게 할당한다.
- 프로세스 제어 블록 (PCB): PCB는 운영체제가 각 프로세스를 관리하기 위해 사용하는 데이터 구조이다. PCB는 프로세스의 상태, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, CPU 스케줄링 정보 등 프로세스에 관한 모든 정보를 포함한다.
- 문맥교환, 컨텍스트 스위칭 (Context Switching): 프로세스는 실행 중에 CPU를 다른 프로세스에게 넘겨야 할 때가 있다. 이러한 전환을 컨텍스트 스위칭이라고 한다. 컨텍스트 스위칭 발생 시, 현재 실행 중인 프로세스의 상태가 PCB에 저장되고, 다음에 실행될 프로세스의 상태가 PCB에서 CPU로 로드된다. 이 과정은 오버헤드를 발생시키지만, 여러 프로세스를 공정하게 실행하도록 한다.
- 프로세스 디스패치: 준비 상태에 있는 프로세스 중에서 CPU를 할당받아 실행 상태로 바뀌는 과정을 말한다. 이 과정에서 스케줄러가 프로세스의 우선순위 등을 고려하여 CPU를 할당받을 프로세스를 결정하게 된다.