정적 프로그램(Static Program)
프로그램은 윈도우의 .exe 파일이나 Mac의 .dmf 파일과 같은 컴퓨터에서 실행 할 수 있는 파일을 통칭한다,
아직 파일을 실행하지 않은 상태이기 때문에 정적 프로그램(Static Program) 줄여서 프로그램(Program)이라고 부른 것이다.
어떠한 프로그램을 개발하기 위해선 자바나 C언어와 같은 언어를 사용하여 코드를 작성하여 완성된다.
따라서 프로그램은 쉽게 말해서 그냥 코드 덩어리이다.
프로세스(Process)
프로그램이 그냥 코드 덩어리이면, 프로세스는 프로그램을 실행 시켜 정적인 프로그램이 동적으로 변하여 프로그램이 돌아가고 있는 상태를 말한다. 즉 현재 컴퓨터에서 작업 중인 프로그램을 의미한다.
모든 프로그램을 운영체제가 실행되기 위한 메모리 공간을 할당해 줘야 실행될 수 있다. 그래서 프로그램을 실행하는 순간 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가며, 운영체제로부터 시스템 자원(CPU)을 할당받아 프로그램 코드를 실행시켜 우리가 서비스를 이용할 수 있게 된다.
스레드
- 프로세스의 한계
과거에는 프로그램을 실행할 때 프로세스 하나만을 사용해서 이용했다. 하지만 프로그램이 복잡해지고 다채로워짐으로써 프로세스 작업 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기에는 한계가 있었다.
과거에는 파일을 다운받으면 실행 시작부터 실행 끝까지 프로세스 하나만을 사용하기 때문에 다운이 완료될떄까지 하루종일 기다려야 했다. 그렇다고 여러 개의 프로세스로 만들게 되면, 그만큼 메모리를 차지하고 CPU에서 할당받는 자원이 중복되게 될 것이다.
스레드(Thread)는 이러한 프로세스 특성의 한계를 해결하기 위해 탄생 하였다.
- 스레드의 개념
스레드란, 하나의 프로세스 내에서 동시에 진행되는 흐름의 단위 를 말한다.
예를들어 크롬 브라우저가 실행 되면 프로세스 하나가 생성될 것이다. 그런데 우리는 브라우저에서 파일을 다운 받으며 온라인 쇼핑을 하면서 게임을 하기도 한다.
즉, 하나의 프로세스 안에서 여러가지 작업들 흐름이 동시에 진행되기 떄문에 가능한 것이다. 이러한 일련의 작업 흐름들을 스레드라고 하며 여러개가 있다면 이를 멀티 스레드라고 부른다.
프로세스 & 스레드의 메모리
프로세스의 자원 구조
프로그램이 실행되어 프로세스가 만들어지면 다음 4가지의 메모리 영역으로 구성되어 할당 받게 된다.
TEXT(코드 영역) : 프로그래머가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU가 해석 가능한 기계어 형태로 저장되어 있다.
DATA(데이터 영역) : 코드가 실행되면서 사용하는 전역 변수나 각종 데이터들이 모여있다. 데이터 영역은 .data / .rodata / .bss 영역으로 세분화 된다.
- .data : 전역 변수 또는 static 변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장
- .BSS : 초기화 없는 전역 변수, static 변수가 저장
- .rodata : const같은 상수 키워드 선언 된 변수나 문자열 상수가 저장
Stack(스택 영역) : 지역 변수와 같은 호출한 함수가 종료되면 되돌아올 임시적인 자료를 저장하는 독립적인 공간이다.
Stack은 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 완료되면 소멸한다. 만일 Stack 영역을 초과하면 stack overflow 에러가 발생한다.
Heap(힙 영역) : 생성자, 인스턴스와 같은 동적으로 할당되는 데이터들을 위해 존재하는 공간이다. 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당되고 해제된다.
스택 영역과 힙 영역은 프로세스가 실행되는 동안 크기가 늘어났다 줄어들기도 하는 동적 영역이기 때문에 이를 표현한 것이다.
스레드의 자원 공유
스레드는 프로세스가 할당 받은 자원을 이용하는 실행의 단위로서, 스레드가 여러개 있으면 우리가 파일을 다운 받으며 동시에 웹 서핑을 할 수 있게 해준다. 이유는 스레드끼리 프로세서의 자원을 공유하면서 프로세스 실행 흐름의 일부가 되기 때문이다.
스레드는 Stack만 할당받아 복사하고 Code, Data, Heap은 프로세스내의 다른 스레드들과 공유된다. 따라서 각각의 스레드는 별도의 stack을 가지고 있지만 heap 메모리는 공유하기 떄문에 서로 다른 스레드에서 가져와 읽고 쓸 수 있게 된다.
프로세스의 자원 공유
각 프로세스는 메모리에 별도의 주소 공간에서 실행되기 떄문에, 한 프로세스는 다픈 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다. 특별한 방법을 통해 프로세스가 다른 프로세스의 정보에 접근하는 것이 가능하다. 프로세스 간 정보를 공유하는 방법에는 다음과 같은 방법들이 있다.
1. IPC(Inter-Process Commuication) 사용
2. LPC(Local inter-Process Commnuication) 사용
3. 별도로 공유 메모리를 만들어서 정보를 주고받도록 설정
그러나 프로세스 자원 공유는 단순히 CPU 레지스터 교체뿐만이 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리까지 초기화되기 때문에 자원 부담이 크다. 그래서 다중 작업이 필요한경우 스레드를 이용하는 것이 훨씬 효율적이라, 현대 컴퓨터의 운영체제에선 다중 프로세싱을 지원하고 있지만 다중 스레딩을 기본으로 하고 있다.
프로세스 & 스레드의 동시 실행 원리
여러 동작을 처리할 수 있는 이유는 컴퓨터 내부적으로 프로세스와 스레드를 동시에 처리하는 멀티 태스킹(multi tasking) 기술 때문이다. 그 원리에 대해 알아보겠다.
멀티 코어와 스레드
컴퓨터를 맞출 때 4코어 8쓰레드 CPU에 대한 단어를 본 적이 있을 것이다.
CPU 한 개는 여러개의 코어를 가질 수 있다. 코어는 말 그대로 CPU 코어 유닛이다. 즉, 명령어를 메모리에서 뽑아 해석하고 실행하는 반도체 유닛이 4개가 있는 것이다.
4코어가 물리적 코어 갯수면, 8쓰레드는 논리적 코어 갯수를 말한다. 이 경우 물리적 코어 하나가 스레드 두 개 이상을 동시에 실행 가능하다는 의미가 된다. 즉 운영체제가 8개의 작업을 동시에 처리할 수 있다는 뜻이다. 이를 하이퍼스레딩 기술이라 말한다.
단, 여기서 CPU의 쓰레드는 하드웨어적 스레드이고 프로그램의 스레드는 소프트웨어적 스레드로 구분한다.
CPU의 작업 처리 방식
병렬성(Parallelism)
병렬성은 직관적으로 명령어를 메모리에서 뽑아 해석하고 실행하는 반도체 유닛인 여러개의 코어에 맞춰 여러개의 프로세스, 스레드를 돌려 병렬로 작업들을 동시 수행하는 것을 말한다.
듀얼코어, 쿼드코어, 옥타코어 등등 이런 명칭이 붙는 멀티코어 프로세서가 달린 컴퓨터에서 할 수 있는 방식이다.
동시성(Concurrency)
동시성은 둘 이상의 작업이 동시에 실행되는 것을 의미한다. 병렬성은 정말로 동시에 실행하는 것이라고 하면, 동시성은 동시에 실행하는 것처럼 보이게 하는 것이다.
즉, 1개의 코어가 있고 4개의 작업이 있다고 가정하다면, 프로세스들을 계속 번갈아가면서 조금씩 처리함으로써 마치 프로그램이 동시에 실행되고 있는 것처럼 보이는 것이다.
이때 작업들을 번갈아가면서 실행할때 작업들을 아주 잘게 나누어 조금씩만 작업을 수행하고 다음 작업으로 넘어가는 식으로 동작된다. 이렇게 하는 이유는 여러 작업을 동시에 처리하는 것처럼 보이게 만들어, 사용자에게 더 빠른 반응성을 제공하기 위해서이다. 그리고 이렇게 진행 중인 작업들을 A -> B -> C -> D로 번갈아 바꾸는 것을 Context Switching 이라고 부른다.
동시성이 필요한 이유?
첫번쨰는 하드웨어적 한계 때문이다. CPU발열 떄문에 깡 클럭으로 성능을 올리기에는 한계에 봉착됬기 떄문에 코어의 성능을 올리는 대신 코어를 여러개 탑재하여 쿼드 코어, 옥타 코어 CPU들을 출시하고 있다. 하지만 아무리 코어를 많이 넣어도 수십개의 코어를 넣을순 없으니 결국 하드웨어적 제한이 걸리게 되고 수십수백개의 프로세스를 돌리기 위해선 결국 동시성이 필요한 것이다.
두번째는 보다 논리적인 효율적인 작업을 위해서이다. 4코어 8스레드의 CPU 환경에서 현재 총 16개의 작업이 있다고 가정을 해보자. 그중 8개는 오래 걸리는 작업이고, 나머지 8개는 짧은 시간을 필요로 하는 작업이라고 한다. 만약에 오래 걸리는 작업이 먼저 실행되면 작업이 다 끝날때 까지 기다려야 할 것이다. 따라서 이러한 비효율적인 작업을 극복하기 위해 작업을 아주 잘게 나눠 번갈아 가면서 처리하는 동시성 개념을 채택한 것이다.
프로세스 스케쥴링
프로세스 스케쥴링(Process Scheduling)은 운영체제에서 CPU를 사용할 수 있는 프로세스를 선택하고, CPU를 할당하는 작업을 말한다. 프로세스의 우선순위, 작업량 등을 고려하여 효율적으로 배치하여, 이를 통해 운영체제는 CPU를 효율적으로 사용하며 시스템 전반적인 성능을 향상시킨다. 그래서 스케쥴링은 멀티 태스킹 작업을 만들어내는 데 있어서 핵심적인 부분이다.
스케쥴링은 운영체제의 특징과 시스템 요구사항에 따라 다양한 알고리즘 방식으로 동작된다.
대표적으로 FCFS(First-Come, First-Served), SJF(Shortest-Job-First), Prioriy, RR(Round-Robin), Mulitlevel Queue 등이 있다.
프로세스 상태
프로세스의 상태는 프로세스가 실행되는 동안 변경되는 고유 상태를 의미한다. 프로세스가 생성되어 실행하기 까지 프로세스는 여러가지의 상태를 갖게 되고, 상태의 변화에 따라 프로세스가 동작되는 것이다. 프로세스는 일반적으로 다음과 같은 5가지 상태를 가진다.
프로세스 상태 전이
프로세스 상태 전이란 프로세스가 실행되는 동안 상태가 OS에 의해 변경되는 것을 의미한다.
운영체제는 프로세스의 상태를 감시하고, 프로세스 상태를 기반으로 프로세스 스케쥴링을 통해 프로세스를 관리하고 제어한다.
프로세스 컨텍스트 스위칭
컨텍스트 스위칭(Context Switching)은 CPU가 한 프로세스에서 다른 프로세스로 전환할 때 발생하는 일련의 과정을 말한다. 위의 동시성(Concurrency) 파트에서 다뤘듯이 CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있으므로, 여러 개의 프로세스를 번갈아가면서 실행하여 CPU 활용률을 높이기 위해 컨텍스트 스위칭이 필요한 것이다.
동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말한다.
컨텍스트 스위칭을 하는 주체는 스케쥴러이다.
PCB (Process Control Block)
PCB(프로세스 제어 블록)는 운영체제에서 프로세스를 관리하기 위해 해당 프로세스의 상태 정보를 담고 있는 자료구조를 말한다.
프로세스를 컨텍스트 스위칭 할 때 기존 프로세스의 상태를 어딘가에 저장해 둬야 다음에 똑같은 작업을 이어서 할 수 있을 것이고, 새로 해야 할 작업의 상태 또한 알아야 어디서부터 다시 작업을 시작할지 결정할 수 있을 것이다.
PCB는 프로세스 스케쥴링을 위해 프로세스에 관한 모든 정보 저장하는 임시 저장소인 것이다.
따라서 운영체제는 PCB에 담긴 프로세스 고유 정보를 통해 프로세스를 관리하며, 프로게스의 실행 상태를 파악하고, 우선 순위를 조정하며, 스케줄링을 수행하고, 다른 프로세스와의 동기화를 제어한다.
PCB내 에는 다음과 같은 정보가 포함되어 있다.
- 포인터 (Pointer) : 프로세스의 현재 위치를 저장하는 포인터 정보
- 프로세스 상태 (Process state) : 생성, 준비, 실행, 대기, 종료를 저장
- 프로세스 아이디 (Process ID, PID) : 프로세스 식별자를 지정하는 고유한 ID
- 프로그램 카운터 (Program counter) : 프로세스를 위해 실행될 다음 명령어의 주소를 포함하는 카운터를 저장
- 레지스터 (Register) : 누산기, 베이스, 레지스터 및 범용 레지스터를 포함하는 CPU 레지스터에 있는 정보
- 메모리 제한 (Memory Limits) : 운영 체제에서 사용하는 메모리 관리 시스템에 대한 정보
- 열린 파일 목록 (List of open file) : 프로세스를 위해 열린 파일 목록
Context Switching 과정
두 개의 프로세스 간에 컨텍스트 스위칭 과정
- CPU는 Process P1을 실행한다
- 일정 시간이 지나 Interrupt 또는 system call이 발생한다.
- 현재 실핸 중인 Process P1의 상태를 PCB1에 저장한다.
- 다음으로 실행할 Process P2를 선택한다.
- Process P2의 상태를 PCB2에서 불러온다.
- CPU는 Process P2를 실행한다.
- 일정 시간이 지나 Interrupt 또는 system call이 발생한다.
- 현재 실행 중인 Process P2의 상태를 PCB2에 저장한다.
- 다시 Process P1을 실행할 차례가 된다.
- Process P1의 상태를 PCB1에서 불러온다.
- CPU는 Process P1을 중간 시점 부터 실행한다.
Context Switching Overhead
이러한 컨텍스트 스위칭 과정은 빠른 반응성과 동시성을 제공하지만, 실행되는 프로세스의 변경 과정에서 프로세스의 상태, 레지스터 값 등이 저장되고 불러오는 등의 작업을 수행하기 때문에 시스템에 많은 부담을 주게된다.
발생 원인
1. PCB 저장 및 복원 비용
2. CPU 캐시 메모리 무효화에 따른 비용
3. 프로세스 스케줄링 비용
프로세스 자체가 교체되는 것이기 떄문에 메모리 접근 시간이 늘어나고, 성능 저하가 발생할 수 있다. 또한 CPU 스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스를 선택하는 비용도 만만치 않다.
멀티 스레드라고 하면 여러개가 동시에 돌아가니 성능이 무조건 상승하는 것이 아니다. 컨텍스트 스위칭 오버헤드라는 변수 때문에 스레드 교체 과정에서 과하게 오버헤드가 발생하면 오히려 싱글 스레드보다 성능이 떨어질 수 있다.
스레드 스케줄링
프로세스 스케줄링과 마찬가지로, 스레드 스케줄링은 운영체제에서 다중 스레드를 관리하며, CPU를 사용할 수 있는 스레드를 선택하고, CPU를 할당하는 작업을 말한다.
스레드의 우선순위, 실행 시간, 입출력 요청 등의 정보를 고려하여 CPU를 사용할 수 있는 스레드를 선택하는, 스레드 스케줄링 알고리즘은 프로세스 알고리즘과 유사하다.
대표적인 알고리즘은 Round Robin, Priority-based scheduling, Multi-level Queue scheduling 등이 있다.
다만 스레드 스케줄링은 프로세스 스케줄링과 다르게, 하나의 프로세스 내에서 다수의 스레가 동작하는 형태이기 때문에, 스레드 간의 상호작용과 동기화 문제를 고려해야 한다는 차이점이 존재한다.
스레드 상태
일반적으로 다음과 같은 4가지 상태를 가진다.
스레드 상태 전이
스레드 컨텍스트 스위칭
스레드 컨텍스트 스위칭은 멀티 스레딩 환경에서 스레드 간의 실행을 전환하는 기술이다. 하나의 프로세스 내의 스레드들을 교환한다.
스택 영역에 있는 스레드끼리 스위칭이 일어난다.
TCB (Thread Control Block)
PCB 처럼, TCB는 각 스레드마다 운영 체제에서 유지하는 스레드에 대한 정보를 담고 있는 자료구조이다. 그림에서 볼 수 있는 TCB는 PCB 안에 들어있다. 스레드가 프로세스 내에 위치한 것 처럼 말이다.
스레드의 상태 정보, 스레드 ID, 스레드 우선 순위, 스케줄링 정보 등 다양한 정보를 저장한다. TCB도 스레드가 생성될때 운영 체제에 의해 생성되며, 스레드가 실행을 마치고 소멸될 때 함께 소멸된다.
스레드 간의 자원 공유와 동기화도 TCB를 사용하여 관리된다.
예를 들어, 뮤텍스(mutual exclusion)나 세마포어(semaphore)와 같은 동기화 기법을 사용할 때, TCB에서 해당 스레드의 뮤텍스나 세마포어 정보를 관리하고, 스레드가 해당 자원에 대한 접근 권한을 획득하거나 반납할 때 TCB의 정보를 업데이트하게 된다.
뮤텍스(mutex)
- 임계 구역에 1개의 스레드만 들어갈 수 있는 동기화 기법
세마포어(semaphore)
- 임계 구역에 여러 스레드가 들어갈 수 있고, counter을 두어서 허용 가능한 스레드를 제한
프로세스 컨텍스트 스위칭 vs 스레드 컨텍스트 스위칭
1. TCB가 PCB보다 가볍다
스레드 컨텍스트 스위칭이 프로세스 컨텍스트 스위칭 보다 빠르다.
프로세스 내의 스레드들은 text, data, heap 영역 메모리를 공유하기 때문에 TCB에는 stack 및 간단한 register 포인터 정보만을 저장하기 때문에 PCB보다 TCB가 가벼워 더 빨리 읽고 쓸 수 있다.
2. 캐시 메모리 초기화 여부
CPU 캐쉬 메모리는 CPU와 메인 메모리 사이에 위치하며 CPU에서 한번 이상 읽어들인 메모리 데이터를 저장하고 있다가, CPU가 다시 그 메모리에 저장된 데이터를 요구할 때, 메인 메모리를 통하지 않고 곧바로 데이터를 전달해 주는 용도이다.
프로세스 컨텍스트 스위칭이 일어날 경우, 다른 프로세스의 실행으로 인해 CPU가 새로운 명령어와 데이터를 로드해야 하기 때문에 CPU 캐시 메모리를 초기화 해야 한다. 이것 때문에 부담이 되는 요소이다.
스레드 컨텍스트 스위칭이 일어날 경우는 스레드 간에 스택과 레지스터 값 등 일부 컨텍스트 정보만 변경되므로 CPU 캐시메모리를 초기화 할 필요가 없다. 다만 쓰레드가 다른 CPU 코어에서 실행할 경우에는 초기화 할 수 있다.
3. 자원 동기화 문제
스레드 컨텍스트 스위칭이 발생해 다른 스레드가 heap 영역의 공유 데이터에 접근할 때, 이전 스레드가 이미 공유 자원을 사용하고 있는 경우 동기화 문제가 발생한다. 동시에 하나의 변수를 수정하려고 할 때, 스레드 컨텍스트 스위칭이 발생하면 변수의 값을 잘못된 값으로 업데이트 할 수 있다.
프로세스는 기본적으로 독립되었지만 IPC와 같은 공유 자원을 사용하는 경우에 똑같은 경쟁 조건이 발생 할 수 있다.
예를 들어, 여러 개의 프로세스가 동시에 파일 시스템에 접근하여 파일을 수정하려고 할 때 파일 내용이 손상될 수 있다.
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