[ OS ] 00. 프로세스와 스레드의 차이

[ 프로세스와 스레드의 차이 ]

OS -> 프로세스 -> Thread

OS에서 여러 개의 프로세스를 관리하고, 프로세스 안에서 여러 개의 Thread를 관리하는 것이 가능하고, 효율적이다.

프로세스

A Program in execution

: 실행중인 프로그램

프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU 의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다. 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다. 구체적으로 살펴보면 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역 변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함한다. 또한 프로세스는 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.

프로세스의 메모리 구조

리눅스 구조로 1GB Kernel 영역, 3GB User 영역

• text(code) 영역
  • 코드 자체를 구성하는 메모리 영역으로 Hex파일이나 BIN파일 메모리
  • 프로그램 명령이 위치하는 곳으로 기계어로 제어되는 메모리 영역
• data 영역
  • 전역변수(global), 정적변수(static), 배열(array), 구조체(structure) 등이 저장된다.
  • 초기화 된 데이터는 data 영역에 저장되고, 초기화 되지 않은 데이터는 BSS(Block Stated Symbol)에 저장된다.
  • 프로그램이 실행될 때 생성되고 프로그램이 종료되면 시스템에 반환
  • 함수 내부에 선언된 Static 변수는 프로그램이 실행될 때 공간만 할당하고, 그 함수를 실행 될 때 초기화
  • # data영역와 bss 영역을 구분하는 이유? 초기화가 되지 않는 변수는 프로그램이 실행될때 영역만 잡아주면 되고 그 값을 프로그램에 저장하고 있을 필요는 없으나 초기화가 되는 변수는 그 값도 프로그램에 저장하고 있어야 하기때문에 두가지를 구분해서 영역을 잡는것이다. 이것이 bss영역을 구분하는 이유이다. 따라서 이러한 bss영역 변수들은 많아져도 프로그램의 실행코드 사이즈를 늘리지 않는다.
• heap 영역
  • 필요에 의해 동적으로 메모리를 할당 하고자 할 때 위치하는 메모리 영역으로 동적 데이터 영역이라고 부르며, 메모리 주소 값에 의해서만 참조되고 사용되는 영역이다.
  • 이 영역에 데이터를 저장 하기 위해서 C는 malloc(), C++은 new() 함수를 사용한다.
• stack 영역
  • 프로그램이 자동으로 사용하는 임시 메모리 영역이다.
  • 지역(local) 변수, 매개변수(parameter), 리턴 값 등 잠시 사용되었다가 사라지는 데이터를 저장하는 영역이다.
  • 함수 호출 시 생성되고, 함수가 끝나면 시스템에 반환 된다.
  • 스택 사이즈는 각 프로세스마다 할당 되지만 프로세스가 메모리에 로드 될 때 스택 사이즈가 고정되어 있어, 런타임 시에 스택 사이즈를 바꿀 수는 없다.
  • 명령 실행시 자동 증가/감소 하기 때문에 보통 메모리의 마지막 번지를 지정 한다.
  • # HEAP overflow - heap이 위에서부터 주소값을 채워져 내려오다가 stack영역을 침범하는 경우. # STACK overflow - stack영역이 heap을 침범.

프로세스 상태

• New : 프로세스가 생성 중 (log on, 프로그램의 실행)
• Running : 프로세스가 실행 중 (프로세서에 상주하고 있는 상태)
• Waiting : 프로세스가 어떤 사건을 기다리고 있는 상태
• Ready : 프로세스가 프로세서에 할당되기를 기다리고 있는 상태
• Terminated : 프로세스의 실행이 종료된 상태

프로세스의 주소공간

• 실행 스택(Stack)
  • 호출된 프로시저(함수)의 복귀 주수와 지역 변수와 같이 일시적인 데이터를 저장하는 영역
  • 프로시저를 호출할수록 (push) 영역이 커지고 프로시저를 반환할 때 (pop) 줄어든다.
• 실행 힙(Heap)
  • 코드 영역과는 별도로 유지되는 자유 영역
  • 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리 영역으로 시스템 호출을 통해 사용되다가 해지뇌는 등 자유자재로 사용된다.
• 데이터(Data)
  • 프로세스 실행 중에 동적으로 할당받는 영역으로 전역 또는 정적 변수를 저장한다.
  • 읽고 쓰기가 가능하다.
• 코드(Code)
  • 프로세서(CPU)가 실행하는 코드를 저장하는 영역
  • 프로그램이 코드 영역을 침범하여 기록하려고 하면 오류가 발생하고 프로그램은 종료된다.

프로세스 제어 블록

PCB (Process Control Block)

PCB 는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장 하고 있는 운영체제의 자료구조이다. 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB 를 생성 한다. 프로세스는 CPU 를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU 를 반환해야 하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB 에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU 를 할당받게 되면 PCB 에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

PCB 에 저장되는 정보

• 프로세스 식별자(Process ID, PID) : 프로세스 식별번호
• 프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장
• 프로그램 카운터 : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
• CPU 레지스터
• CPU 스케쥴링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
• 메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
• 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
• 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등

스레드

Thread란 CPU를 구성하는 기본 실행 단위이다.

Thread ID(tid), Program Count(pc), Register Stack 및 Stack으로 구성되어 있다.

스레드의 구조

• 스레드 실행시 상태
• 실행 스택(stack)
• 지역 변수와 스레드의 특정 데이터를 저장하기 위한 스레드별 정적 저장소
• 프로세스의 다른 스레드가 공유하는 메모리와 자원에 대한 접근 같은 스레드 실행 환경 정보(Context Information)
• PC(Program Counter), SR(Sequence Register), SP(Stack Pointer)

스레드의 이점

• 사용자에 대한 응답성 증가
  • 다중 스레드 환경에서는 하나의 스레드가 blocked 상태인 동안(예를 들어 입출력을 하는 동안) 다른 스레드가 실행되어 다른 작업을 빨리 처리하면서 사용자와 상호작용이 가능하다.
• 프로세스의 자원과 메모리 공유 가능
  • 스레드는 한 프로세스의 자원을 공유하기 때문에 하나의 같은 주소 공간에서 여러 개의 스레드를 실행해 시스템 성능을 향상시킨다. 병렬성, 성능향상
• 경제성
  • 스레드는 한 프로세스의 자원을 공유하기 때문에, 메모리와 자원을 할당해 프로세스를 생성하는 것보다 스레드끼리 문맥 교환하는 것이 오버헤드가 적다.
• 다중 프로세서(CPU) 구조 활용 가능
  • 다중 프로세서 구조에서 각 스레드는 다른 프로세성에서 병렬로 실행될 수 있다.

한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다.

같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 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 갖고 있다.

Stack을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유 ?

• stack은 프로시저의 복귀 주소나, 지역 변수 같이 일시적이고 독립적인 실행환경을 제공한다.
• 스레드는 하나의 독립적인 실행 단위이기 때문에 각각 해당 실행에 대한 독립적 stack을 가진다

스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로 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 Register 를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유 ?

• 스레드는 프로세스와 같이 CPU를 할당받고, 선점당할 수 있다.
• 따라서 문맥교환이 발생하게 되므로 실행하고 있는 코드의 지점을 저장하는 PC Register는 스레드마다 독립적으로 할당되어야 한다.

PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다. 스레드는 CPU 를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.