[면접을 위한 CS 전공지식 노트] 3. 운영체제 (프로세스와 스레드)

• 프로세스는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로세스와 스레드
• CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업이라는 용어와 거의 같은 의미
• 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 지칭

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU가 프로세스를 실행

 

1. 프로세스와 컴파일 과정

• 프로세스는 프로그램이 메모리에 올라가 인스턴스화된 것을 말한다
• 예를 들어 프로그램은 구글 크롬 프로그램과 같은 실행 파일 이를 두번 클릭하면 구글 크롬 프로세스로 변환

 

• 만드는 과정은 언어마다 다를 수 있다
• 컴파일 과정을 통해 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역하여 실행할 수 있는 파일을 만들게 되고 
• 컴파일 과정은 이렇게 된다

잔처리

소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더파일을 병합하여 매크로를 치환한다

컴파일러

오류처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

어셈블러

어셈블리어는 목적 코드(object code)로 변환, 이때 확장자는 운영체제마다 다르고

리눅스에서는 .o 예를들어 가영.c라는 파일을 만들었을 때 가영.o라는 파일이 만들어지게 됌

링커

프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 목적 코드를 결합하여 실행파일을 만들고

확장자는 .exe, .out이라는 확장자를 갖는다

 

정적라이브러리와 동적라이브러리

정적 라이브러리는 프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식으로 라이브러리를 쓰는 방법

시스템 환경 등 외부 의부 의존도가 낮은 장점이 있지만 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있다

 

동적 라이브러리는 프로그램 실행 시 필요할 때만 DDL이라는 함수 정보를 통해 참조하여 라이브러리를 쓰는 방법

메모리 효율에서의 장점을 지니지만 외부 의존도가 높아지는 단점이 있다.

 

2. 프로세스의 상태

생성 상태

생성 상태는 프로세스가 생성된 상태를 의미하며 fork() 또는 exec() 함수를 통해 생성한다

PCB 할당

 

fork()

부모 프로세스의 주소 공간을 그대로 복사하며, 새로운 자식 프로세스를 생성하는 함수

주소 공간만 복사할 뿐이지 부모 프로세스의 비동기 작업 등을 상속하지는 않는다

 

exec()

새롭게 프로세스를 생성하는 함수

 

대기상태

메모리 공간이 충분하면 메모리를 할당받고 아니면 아닌 상태로 대기하고 있으며 CPU 스케줄러로부터 CPU 소유권이 넘어오기를 기다리는 상태

대기 중단 상태

메모리 부족으로 일시 중단된 상태이다

실행 상태

CPU 소유권과 메모리를 할당받고 인스트럭션을 수행 중인 상태를 의미 CPU burst가 일어났다고도 표현

중단 상태

어떤 이벤트가 발생한 이후 기다리며 프로세스가 차단된 상태

I/O 디바이스에 의한 인터럽트로 이런 상황이 많이 발생함

일시중단상태

대기 중단과 비슷

중단된 상태에서 프로세스가 실행되려고 했지만 메모리 부족으로 일시 중단된 상태

종료상태

메모리와 CPU 소유권을 모두 놓고 가는 상태

자연스럽게 종료되는 것도 있지만 부모 프로세스가 자식 프로세스를 강제시키는 비자발적 종료로 종료되는 것고 있다

자식 프로세스에 할당된 자원의 한계치를 넘어서거나 부모 프로세스가 종료되거나 사용자가 process.kill 등 여러 명령어로 프로세스를 종료할 때 발생

3. 프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당 

스택, 힙, 데이터 영역, 코드 영역으로 나눠짐

스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당

 

스택과 힙

• 동적할당이 되면, 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것을 말한다
• 스택은 지역 변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역
• 함수가 호출될 때마다 호출될 때의 환경등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장된다.
• 재귀함수가 호출된다고 했을 때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않는다
• 힙은 동적으로 할당되는 변수들을 담는다 malloc(), free() 함수를 통해 관리 할 수 있고, 동적으로 관리되는 자료구조의 경우 힙 영역을 사용
• vector는 내부적으로 힙 영역을 사용

 

데이터 영역과 코드 영역

• 정적할당되는 영역 
• 정적할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당 하는 것을 말하고 
• 데이터 영역은 BSS segment 와 data segment, code/text segment로 나뉘어서 저장된다

 

BSS segment :

전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가 어떠한 값으로도 되어 있지 않은 변수들이 . 이메모리 영역에 할당된다.

Data segment :

전역 변수 또는 static, const로 선언되어 있고 0이 아닌 값으로 초기화된 변수가 이 메모리 영역에 할당

code segment는 프로그램의 코드가 들어간다

 

PCB(process control block) :

운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다 = 프로세스 제어 블록이라고도 한다

프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성

프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다

그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리 => 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 앞부분에서 관리

 

메타데이터

데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이요하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해 부여되는 데이터

 

PCB의 구조

프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보로 이루어져 있다

프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID, 프로세스 권한, 프로그램 카운터, CPU 레지스터, CPU 스케줄링 정보, 계정 정보, I/O 상태 정보

 

컨텍스트 스위칭 :

앞서 설명한 PCB를 기반으로 프로세스의 상태를 저장하고 로드시키는 과정

비용: 캐시미스

컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게되고 이때문에 캐시미스가 발생

 

멀티프로세싱 :

여러개의 프로세스 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다

하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 신뢰성이 높다는 장점

 

웹브라우저 :

멀티 프로세스 구조를 가지고 있다

브라우저 프로세스

렌더러 프로세스

플러그인 프로세스

GPU 프로세스

 

IPC : 

멀티프로세스는 IPC가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘

IPC의 종류 :

공유메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다

이들 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다

 

공유 메모리 :

여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것을 말함

파일 :

디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말함

소켓 :

동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP를 의미

익명 파이프 :

프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식

 

메세지 큐 :

메세지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미, 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다

 

스레드 :

프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위, 여러 스레들을 가질 수 있다

멀티스레딩 :

프로세스 내 작업을 여러개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다

 

공유자원과 임계영역

공유자원 : 

시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리,  파일, 데이터 등의 자원이나 변수를 의미

공유자원을 두개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 하고 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태

 

임계 영역

둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말하고

이를 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세가지가 있고 모두 상호배제, 한정대기, 융통성이라는 조건 만족

토대는 잠금

 

교착 상태 :

두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

교착상태의 원인

상호배제, 점유댁,비선점, 환형대기

 

교착상태의 해결방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계

2. 교착상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원할당 가능 여부를 파악하는 '은행원알고리즘'을 쓴다

3. 교착 상태가 발생하며 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한개씩 지운다

4. 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하며 사용자가 작업을 종료 현재는 이 방법 사용

 

CPU 스케줄링 알고리즘

프로그램이 실행될 때는 CPU 스케줄링 알고리즘이 어떤 프로그램에 CPU 소유권을 줄 것인지 결정 이 알고리즘은 CPU 이용률은 높게, 주어진 시간에 많은 일을 하게, 준비 큐에 있는 프로세스는 적게, 응답 시간은 짧게 설정

 

비선점형 방식 :

프로세스가 스스로 CPU 소유권을 포기하는 방식이며, 강제로 프로세스를 중지하지 않는다 => 컨텍스트 스위칭으로 인한 부하가 적다

FCFS, SJF가 있다

우선순위 :

기존 SFJ 스케줄링의 경우 긴 시간을 가진 프로세스가 실행되지 않는 현상이 있었다 

우선순위는 이 단점을 오래된 작업일수록 '우선순위를 높이는 방법'을 사용해 보완한 알고리즘

 

선점형 방식 :

현대 운영체제가 쓰는 방식으로 지금 사용하고 있는 프로세스를 알고리즘에 의해 중단시켜 버리고 강제로 다른 프로세스에 CPU 소유권을 할당하는 방식

 

RR :

현대 컴퓨터가 쓰는 선점형 알고리즘 스케줄링 방법 

각 프로세스는 동일한 할당 시간을 주고 그 시간에 끝나지 않으면 다시 준비 큐의 뒤로 가는 알고리즘

SRF :

중간에 실행시간이 더 짧은 작업이 들어와도 기존 짧은 작업을 모두 수행하고 그 다음 짧은 작업을 이어나가는 데 SRF는 중간에 더 짧은 작업이 들어오면 수행하던 프로세스를 중지하고 해당 프로세스를 수행하는 알고리즘

 

다단계 큐 :

우선순위에 따른 준비 큐를 여러 개 사용하고, 큐마다 라운드 로빈이나 FCFS 등 다른 스케줄링 알고리즘을 적용한 것을 말함

큐 간의 프로세스 이동이 안 되므로 스케줄링 부담이 적지만 유연성이 떨어지는 특징