운영체제

프로세스와 스레드의 차이

프로세스(Process)

• 실행 중인 프로그램. 즉 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다.
• 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다.

프로세스 제어 블록 (Process Control Blcok, PCB)

  PCB는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조이다.
운영체제는 프로세스를 관리하  기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다.
프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고
CPU를 반환해야 하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU를 할당받게 되면
PCB에 저장되어 있던 내용을 불러와 이전에 종료되었던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

 

PCB에 저장되는 정보

• 프로세스 식별자 ( Process ID, PID )
• 프로세스 상태 ( new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장 )
• 프로그램 카운터 ( 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소 )
• CPU 레지스터
• CPU 스케줄링 정보 ( 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등 )
• 메모리 관리 정보 ( 페이지 테이블 or 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함 )
• 입출력 상태 정보
• 어카운팅 정보 ( 사용된 cpu 시간, 시간제한 계정본호 등 )

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스레드 ( Thread )

• 프로세스의 실행 단위
• 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름
• 같은 프로세스에 속한 스레드들끼리는 코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은
  운영체제 자원들을 공유한다.
• 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여
  수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기
  때문에 각자의 스택과 pc 레지스터 값을 가지고 있다.

쓰레드 자원 공유 형태

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

  스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

 

PC register를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

  PC값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타내게 된다. 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당해야 한다.

 

멀티 스레드

멀티 스레딩의 장점

  프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다. 스레드간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는 것이 아니라 전역 변수의 공간 or 동적할당된 공간인 Heap 영역을 이용하여 데이터를 주고받을 수 있다. 그렇기 때문에 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단하다. 심지어 스레드의 context switching은 프로세스의 context switching과 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠르다. 따라서 시스템의 자원 소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축된다. 이러한 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠 수행하는 것이다.

 

멀티 스레딩의 문제점

  멀티 프로세스 기반으로 프로그래밍 할 때는 프로세스 간 공유하는 자원이 없기 때문에 동일한 자원에 동시에 접근하는 일이 없었지만 멀트 스레딩을 기반으로 프로그래밍 할 때는 이 부분을 신경써줘야 한다. 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수가 있다.

 

  그렇기 때문에 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤 하는 것이다. 하지만 이로 인해 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다. 그러므로 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 한다. 그리고 디버깅이 어렵다.

 

멀티 스레드 vs 멀티 프로세스

  멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 안고 있다. 반면 멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재한다. 이 두 가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합으로 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.

 

프로세스 동기화

Critical Section(임계영역)

• 멀티 스레딩에 문제점에서 나오듯, 동일한 자원을 동시에 접근하는 작업을 실행하는 코드 영역을 Critical Section
  이라 칭한다.

Critical Section Problem(임계영역 문제)

프로세스들이 Critical Section을 함께 사용할 수 있는 프로토콜을 설계해야 한다.

 

Requirements( 해결을 위한 기본 조건 )

• Mutual Exclusion ( 상호 배제 )
  - 프로세스 p1이 Critical Section에서 실행 중이라면 다른 프로세스들은 그들이 가진 Critical Section에서 실행될 수 
    없다.
• Progress(진행)
  - Critical Section에서 실행중인 프로세스가 없고, 별도의 동작이 없는 프로세스들만 Critical Section 진입 후부로서
     참여될 수 있다.
• Bounded Waiting ( 한정된 대기 )
  - p1이 Critical Section 에 진입 신청 후 받아들여질 때까지, 다른 프로세스들이 Critical Section에 진입하는 횟수는 
    제한이 있어야 한다.

Critical Section Problem 해결책

Lock

   - 하드웨어 기반 해결책으로써, 동시에 공유 자원에 접근하는 것을 막기 위해 Critical Section 에 진입하는 프로세스는
      Lock 을 획득하고 Critical Section 을 빠져나올 때, Lock 을 방출함으로써 동시에 접근이 되지 않도록 한다.

   - lock은 다중처리기 환경에서는 시간적인 효율성 측면에서 적용할 수 없다.

 

Semaphores(세마포)

• 소프트웨어상에서 Critical Section 문제를 해결하기 위한 동기화 도구

Semaphores 종류

• 카운팅 세마포
  가용한 개수를 가진 자원 에 대한 접근 제어용으로 사용되며, 세마포는 그 가용한 자원의 개수 로 초기화 된다.
  자원을 사용하면 세마포가 감소, 방출하면 세마포가 증가 한다.
  
  
• 이진 세마포
  MUTEX 라고도 부르며, 상호배제의 (Mutual Exclusion)의 머릿글자를 따서 만들어졌다.
  이름 그대로 0 과 1 사이의 값만 가능하며, 다중 프로세스들 사이의 Critical Section 문제를 해결하기 위해 사용한다.

Semaphores 단점

• Busy Waiting(바쁜 대기)
  - Semaphore 초기 버전에서 Critical Section 에 진입해야하는 프로세스는 진입 코드를
    계속 반복 실행해야 하며, CPU 시간을 낭비했었다. 이를 Busy Waiting이라고 부르며 특수한 상황이
    아니면 비효율적이다.
  
  - 일반적으로는 Semaphore에서 Critical Section에 진입을 시도했지만 실패한 프로세스에 대해 Block시킨 뒤,
    Critical Section에 자리가 날 때 다시 깨우는 방식을 사용한다. 이 경우 Busy waiting으로 인한
    시간낭비 문제가 해결된다.

Deadlock(교착상태)

• 세마포가 Ready Queue 를 가지고 있고, 둘 이상의 프로세스가 Critical Section 진입을
  무한정 기다리고 있고, Critical Section 에서 실행되는 프로세스는 진입 대기 중인 프로세스가 실행되어야만
  빠져나올 수 있는 상황을 지칭한다.

 

스케줄러

프로세스를 스케줄링하기 위한 Queue에는 세 가지 종류가 존재한다.

• Job Queue : 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
• Ready Queue : 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
• Device Queue : Device I/O 작업을 대기하고 있는 프로세스의 집합

각각의  Queue에 프로세스들을 넣고 빼주는 스케줄러에도 크게 세 가지 종류가 존재한다.

• 장기 스케줄러 ( Long-term scheduler or job scheduler )
  메모리는 한정되어 있는데 많은 프로세스들이 한꺼번에 메모리에 올라올 경우, 대용량 메모리(일반적으로 디스크)에
  임시로 저장된다. 이 pool에 저장되어 있는 프로세스 중 어 떤 프로세스에 메모리를 할당하여 ready queue로 보낼지 결정하는 역할을 한다.
    -  메모리와 디스크 사이의 스케줄링을 담당
    -  프로세스에 memory를 할당 ( admit )
    -  degree of Multiprogramming 제어 ( 실행중인 프로세스의 수 제어 )
    -  프로세스의 상태 ( new -> ready )
  
  
• 단기 스케줄러 ( Short-term scheduler or CPU scheduler )
    -  CPU와 메모리 사이의 스케줄링을 담당
    -  Ready Queue 에 존재하는 프로세스 중 어떤 프로세스를 running 시킬지 결정
    -  프로세스에 CPU를 할당 ( scheduler dispatch )
    -  프로세스의 상태 ( read -> running -> waiting -> ready )
  
  
• 중기 스케줄러 ( Medium-term scheduler or Swapper )
    -  여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아냄 (swapping)
    -  프로세스에게서 memory를 deallocate
    -  degree of Multiprogramming 제어 ( 동시에 처리 가능한 수 작업이나 프로그램의 수 )
    -  현 시스템에서 메모리에 너무 많은 프로그램이 동시에 올라가는 것을 조절하는 스케줄러
    -  프로세스의 상태 ( ready -> suspended )

CPU 스케줄러

스케줄링 대상은 Ready Queue에 있는 프로세스들이다.

 

1. FIFO(First In First Out)

• 먼저 온 고객을 먼저 서비스 해주는 방식, 즉 먼저 온 순서대로 처리
• 비선점형(Non-Preemptive) 스케줄링
  일단 CPU를 잡으면 CPU burst가 완료될 때까지 CPU를 반환하지 않는다. 할당되었던 CPU가 반환될 때만
  스케줄링이 이루어진다.

문제점

• convoy effect
  - 소요시간이 긴 프로세스가 먼저 도달하여 효율성을 낮추는 현상 발생

 

2. SJF(Shortest - Job - First)

• 다른 프로세스가 먼저 도착했어도 CPU burst time이 짧은 프로세스에게 선 할당
• 비선점형(Non-Preemptive) 스케줄링

문제점

• starvation
  -  효율성을 추구하는게 가장 중요하지만 특정 프로세스가 지나치게 차별받으면 안된다. 이 스케줄링 기법은
     극단적으로 CPU 사용이 짧은 job을 선호한다. 그래서 사용 시간이 긴 프로세스는 거의 영원히 CPU를
     할당받을 수 없다.

 

3. SRTF(Shortest Remaining Time First)

• 현재 수행중인 프로세스의 남은 burst time보다 더 짧은 CPU burst time을 가지는 새로운 프로세스가 도착하면
  CPU를 뺏긴다.
• 선점형(Preemptive) 스케줄링

문제점

• starvation
  -  새로운 프로세스가 도달할 때마다 스케줄링을 다시하기 때문에 CPU burst time(CPU 사용시간)을 측정할 수가 없다.

 

4. Priority Scheduling

• 우선순위가 가장 높은 프로세스에게 CPU를 할당하는 스케줄링이다.
  ※우선순위 : 정수로 표현하고 작은 숫자가 우선순위가 높다.
• 선점형(Preemptive) 스케줄링
  - 더 높은 우선순위의 프로세스가 도착하면 Ready Queue의 Head에 넣는다.

문제점

• starvation
• 무기한 봉쇄(Indefinite blocking)
  - 실행 준비는 되어있으나 우선순위가 낮아 CPU를 사용 못하는 프로세스가 무기한 대기하는 상태

해결 방법

• aging
  - 아무리 우선순위가 낮은 프로세스라도 오래 기다리면 우선순위를 높여준다.

 

5. Round Robin

• 현대적인 CPU 스케줄링
• 각 프로세스는 동일한 크기의 할당 시간(time quantum)을 갖게 된다.
• 할당 시간이 지나면 프로세스는 선점당하고 ready queue의 제일 뒤에 가서 다시 줄을 선다.
• CPU 사용시간이 랜덤한 프로세스들이 섞여있을 경우 효율적
• RR이 가능한 이유는 프로세스의 context를 save할 수 있기 때문이다.

장점

• Response time이 빨라진다.
• 프로세스가 기다리는 시간이 CPU를 사용할 만큼 증가한다. => 공정한 스케줄링이다. 

주의할 점

• 설정한 time quantu이 너무 커지면 FIFO와 같아진다. 또 너무 작아지면 스케줄링 알고리즘의 목적에는
  이상적이지만 잦은 context switch로 overload가 발생한다. 그렇기 때문에 적당한 time quantum을 설정
  하는 것이 중요하다.