운영체제 : Process와 Thread

오늘은, 프로세스의 개념과 프로세스의 관리 방법 등을 알아보고

쓰레드에 관해서도 한 번 알아보는 시간을 가져보자.

 

Process(프로세스)란?

---> 프로세스는 실행중인 프로그램이다.(메모리에 로딩된 형태)

또한 프로세스는 계층적이다. (부모 자식이 존재)

만약, 사용자가 배경화면에 있는 아이콘을 실행하기 위해 더블 클릭을 했다고 가정해보자.

그러면 첫번째로 하드디스크에 있는 실행 프로그램이 변환로드를 통해 프로세스로 변환이 된다.

그 후에 메모리에 로딩을 하는 방식이다.

 

이렇게 프로세스로 변환하는 과정에서  PCB라는 것이 생성이 되는데 PCB는 프로세스의 정보들이라고 

생각하면 편하다. 그와 동시에 여분의 프로세스를 만들어 Swap 할 수 있도록 준비해놓는다.

 

만약 메모리에 프로세스들이 꽉 차게 되면, 당장 필요없는 프로세스들을 미리 만들어놓은 Swap으로 옮겨놓는것이다.

 

PCB의 구조는 다음과 같다.

PCB의 구성

 

이러한 프로세스들을 여러개 한 번에 운용하는 것을 

멀티 프로세스라고 한다.

멀티프로세스의 예시

 

프로세스의 분류

1. 시스템(커널) 프로세스 : 운영체제 부팅할 대 생성이 된다

2. 사용자 프로세스 : 아이콘 더블클릭 시 생기는 프로세스들이다

3. 병행 프로세스 : 프로세스가 2개 동시에 실행되는 것이다.

 

프로세스의 상태 변이

이번엔 프로세스가 어떻게 작동을 내부적으로 하고 있는지를 알아보자.

 

기본적으로 사용자가 아이콘을 더블클릭을 하여 프로세스가 생성이 되면 우선 "생성 상태"로 들어가게 되는데

그 동시에 프로세스가 생성이 되면서 PCB를 같이 생성하게 된다.

그러면 생성된 프로세스들은 Ready Q라는 큐에 쌓이게 된다(단, 프로세스가 아니라 PCB가 쌓이는 것임).

그러면 디스패처라는 스케줄러가 CPU로 프로세스를 보내주는 역할을 하는데 CPU는 한 개이기 때문에

순서대로 우선순위(유닉스,리눅스에선 nice value가 우선순위 조정해줌)에 맞게 CPU로 전달해주는 역할을 한다.

그렇게 실행상태가 된 PCB는 실행이 되고 완료가 되면 PCB가 삭제되고 완료 상태가 된다.

 

하지만, 실행상태에서 시간이 너무 지체되는 바람에 타임 아웃이 되면, 다시 준비상태 즉, Ready Q로 돌아오게 되며

맨 뒤로 들어가게 된다. 따라서 타임아웃이 많이 일어나면 손해인 것이다.

 

디스패처 예시

프로세스의 상태 사진

 

또한, 대기 상태 즉, 보류로 중단 시킬 수도 있다.

대기 상태가 추가된 디스패치 상태

 

 

프로세스의 문맥 교환

프로세스의 문맥교환은 프로세스가 2개 이상일 때 발생하는 교환이다.

즉, 멀티 프로세스 시스템이라는 것이다.

1. 프로세스 1이 실행되다가 타임아웃이 되어서 중단된다.

2. 프로세스1의 상태를 PCB1에 저장하고(CPU가 실행함), PCB2에서 프로세스2의 상태를 가져온다.

3. 프로세스2를 실행하다가 타임아웃이 되면 하던걸 저장하고 다시 프로세스1로 변환한다. 

이것이 문맥교환이다. 하지만 이러한 교환의 횟수가 많아지면 성능이 떨어진다.

문맥 교환의 예시1

문맥 교환의 예시2

*** CPU가 원래 해야할 일인 실행, 준비 등등에 문맥교환까지 하면 시간이 당연히 줄어들으니 성능도 저하된다.

 

Thread(쓰레드)란?

--->

프로그램 명령을 실행하는 프로세스 내의 개체이다.

쓰레드

 

쓰레드는 기본적으로 코드나, 전역 데이터, 힙은 공동으로 사용한다.

즉, 각 쓰레드를 구분시켜주는 요소는, 쓰레드의 실행 환경정보나, 지역 데이터 그리고 스택 내에 있는 정보들이다.

쓰레드의 구조

즉, 같은 프로세스 내부에 있는 쓰레드들은 동일한 주소 공간을 공유한다는 의미이다.

 

*** 쓰레드는 병렬수행을 하기도 하는데, 프로세스가 하나인 서로 다른 프로세서에서 프로그램의 다른 부분을

동시에 실행하는 것이다.

 

이렇게 쓰레드를 병렬수행을 하면 좋은 점은 다음과 같다.

1. 사용자 응답성 증가

2. 프로세스의 자원과 메모리 공유 가능

3. 경제성이 좋음

4. 다중처리로 성능과 효율 향상

다음은, 다중 쓰레드의 예시이다.

다중 쓰레드의 예시

단일 쓰레드와 다중 쓰레드의 프로세스 비교

* 사실 지역데이터 즉, 지역 변수는 스택 내에 저장되어 있다.

 

TCB

--->

TCB는 Thread Control Block이라는 의미로 쓰레드의 상태를 저장하고 있는 곳이다.

TCB의 예시

 

 

마지막으로 쓰레드의 종류 3가지를 공부하고 마무리 하겠다.

 

1. User Level Thread

- 커널과 상관없이 사용자가 쓰레드를 스스로 만든다. 즉, 커널이 관리를 해주지 않으며 사용자가 직접 관리해야한다

사용자의 영역 안에서 실행된다.

User level thread

 

2. Kernel lever thread

- 쓰레드를 커널이 관리한다.

1 : 1 대응 방식이기 때문에 커널의 양이 증가하면 CPU를 차지하기 위한 경쟁이 증가하므로 성능이 저하된다.

Kernel level thread

 

3. Hybrid level thread

- 위 두 개의 방식을 합친 방법이다.

- thread의 생성은 사용자 영역에서 시작한다

- User level threads에서 매핑을 시작한다.

- Kernel level thread로 이어진다.

 

경량 프로세스 쓰레드가 중간에 매핑을 해주는 역할을 수행한다.

Hybrid level thread

 

여기까지 쓰레드와 프로세스에 관해서 공부했다

간단해보이지만 외울 것이 많으니 헷갈리지 않게 잘 공부해두자