2022-08-03 TIL(프로세스, 스레드, 스케줄러, CPU 스케줄러)

 

 

☝ 프로세스

• 프로세스는 메모리 상에서 실행 중인  프로그램으로 CPU의 할당을 받을 수 있는 것
• 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다.
• 프로세스는 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.
• 프로세스는 각각 별도의 주소 공간을 할당한다.

 

 

☝ 프로세스의 기본 구조

프로세스 구조

• Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역
• Data
  • 전역 변수, 정적 변수, 배열 등
  • 초기화된 데이터는 Data 영역에 저장
• BSS
  • 초기화되지 않은 데이터는 BSS 영역에 저장
• Heap : 동적 할당 시 사용
• Stack
  • 지역 변수, 매개 변수, 리턴 값 등
  • 스레드는 Stack만 따로 할당받고 나머지 영역은 서로 공유한다.

 

 

☝ 런타임 vs 컴파일 타임 차이

• 런타임 : 컴파일 과정을 마친 응용 프로그램이 사용자에 의해 실행되어지는 때
• 컴파일 타임 : 개발자에 의해 소스코드가 작성되고, 컴파일 과정을 통해 기계어로 코드가 변환되는 때

 

 

☝ 프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

• PCB는 특정 프로세스에 대한 중요 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료 구조
• 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성
• 프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면
  진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 하는데, 이때 작업의 진행 상황을 PCB에 저장
• 프로세스가 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어 있던 내용을 불러와 프로세스를 실행

 

 

☝ PCB에 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 스케줄링 정보 : 프로세스의 우선순위 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 등

 

 

☝ 스레드(Thread)

• 스레드는 프로세스의 실행 단위
• 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다.
• 스레드의 구성 : 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택
• 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고
  자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상하는 것을 멀티스레딩이라고 한다.

 

 

☝ 스택이란

• LIFO(Last In First Out) 구조를 가진 자료 구조

 

 

☝ 스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유?

• 스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소 값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해
  사용되는 메모리 공간
• 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것을 의미
• 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당

 

 

☝ PC Register를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유?

• PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타내게 된다.
• 스레드가 재할당되어 수행되지 못한 부분부터 수행시키기 위해 PC 레지스터를 독립적으로 할당

 

 

☝ 멀티 스레딩의 장점

• 프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어듦
• 스레드 간의 통신이 필요한 경우 별도의 자원을 이용하지 않고 전역 변수의 공간 또는 동적으로 할당된
  힙 메모리 영역을 이용하여 데이터를 주고받을 수 있음
• 스레드의 'Context Switch'는 프로세스와 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠름

 

 

☝ 멀티 스레딩의 문제점

• 멀티 프로세스 기반 프로그래밍은 프로세스 간 공유하는 자원이 없기 때문에 동일한 자원에 동시 접근 x
• 멀티 스레딩의 경우 동일한 자원에 동시 접근하는 경우가 있음
• 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용 중인
  변수나 자료 구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다.
• 이러한 단점 때문에 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요
• 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤해야 함

 

 

 

☝ 멀티 스레딩 vs 멀티 프로세스

• 멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르지만,
  오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제가 존재
• 멀티 프로세스는 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않는다는 장점이 있지만,
  멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재

 

 

☝ 프로세스 상태 전이

프로세스 상태 전이도

• new : 프로세스가 막 생성된 상태
• block : 프로세스가 어떤 상태가 일어나길 기다리고 있는 상태
• 스케줄러 디스패치(Scheduler Dispatch) : 준비 상태에 있는 프로세스 중 하나를 선택하여 실행
• 인터럽트(Interrupt)
  예외, 입출력, 이벤트 등이 발생하여 현재 실행 중인 프로세스를 준비 상태로 바꾸고
  해당 작업을 먼저 처리하는 것
• 입출력 또는 이벤트 대기(I/O or Event wait)
  실행 중인 프로세스가 입출력이나 이벤트를 처리해야 하는 경우,
  입출력/이벤트가 모두 끝날 때까지 대기 상태로 만드는 것
• 입출력 또는 이벤트 완료(I/O or Event Completion)
  입출력/이벤트가 끝난 프로세스를 준비 상태로 전환하여 스케줄러에 의해 선택될 수 있도록 만드는 것
• 지연(suspend or stopped)
  • 외부적 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태로 메모리에서 내려간 상태를 의미
  • 프로세스 전부 디스크로 swap out 된다.
  • blocked 상태는 다른 I/O 작업을 기다리는 상태이기 때문에 스스로 ready state로 돌아갈 수 있지만
    이 상태는 외부적인 이유로 suspending 되었기 때문에 스스로 돌아갈 수 없다.

 

 

☝ 스케줄링

• CPU를 효율적으로 사용하기 위해서는 프로세스를 잘 배정해야 한다.
• 프로세스를 스케줄링하기 위한 Queue에는 세 가지 종류가 존재한다.
  1. Job Queue : 현재 시스템 내에 있는 모든 프로세스의 집합
  2. Ready Queue : 현재 메모리 내에 있으면서 CPU를 잡아서 실행되기를 기다리는 프로세스의 집합
  3. Device Queue : Device I/O 작업을 대기하고 있는 프로세스의 집합
• 각각의 Queue에 프로세스를 넣고 빼주는 스케줄러에도 크게 세 가지 종류가 존재한다.

 

 

☝ 장기 스케줄러(Long-term scheduler or Job scheduler)

• 메모리는 한정되어 있는데 많은 프로세스들이 한 번에 메모리에 올라올 경우,
  대용량 메모리에 임시로 저장된다.
• 이 저장된 프로세스 중 어떤 프로세스에 메모리를 할당하여 Ready Queue로 보낼지 결정하는 역할을 한다.
• 메모리와 디스크 사이의 스케줄링을 담당
• 프로세스에 메모리를 할당
• 실행 중인 프로세스의 수 제어
• 프로세스의 상태
  new -> ready(in memory)

 

 

☝ 단기 스케줄러(Short-term scheduler or CPU scheduler)

• CPU와 메모리 사이의 스케줄링을 담당
• Ready Queue에 존재하는 프로세스 중 어떤 프로세스를 Runnig 시킬지 결정
• 프로세스에 CPU를 할당한다.
• 프로세스의 상태
  ready -> running -> waiting -> ready

 

 

☝ 중기 스케줄러(Medium-term scheduler or Swapper)

• 여유 공간 마련을 위해 프로세스를 통째로 메모리에서 디스크로 쫓아낸다.(Swapping)
• 프로세스에서 메모리 할당을 취소한다.
• 현 시스템에서 메모리에 너무 많은 프로그램이 동시에 올라가는 것을 조절한다.
• 프로세스의 상태
  ready -> suspend

 

 

☝ 선점/비선점 스케줄링

• 선점 스케줄링 : OS가 CPU의 사용권을 선점할 수 있는 경우, 강제 회수하는 경우(처리시간 예측 어려움)
• 비선점 스케줄링 : 프로세스 종료 or I/O 등의 이벤트가 있을 때까지 실행 보장(처리시간 예측 용이)

 

 

☝ FCFS(First Come First Served)

• 먼저 온 순서대로 처리하는 방식
• 비선점형 스케줄링
• 소요시간이 긴 프로세스가 먼저 도달할 경우 효율성이 낮아진다.(convoy effect)

 

 

☝ SJF(Shortest Job First)

• 다른 프로세스가 먼저 도착해도 소요시간이 짧은 프로세스가 선 할당
• 비선점형 스케줄링
• 이 스케줄링 방식은 사용시간이 긴 프로세스는 영원히 CPU를 할당받지 못할 수도 있다.(starvation)

 

 

☝ SRTF(Shortest Remaining Time First)

• 새로운 프로세스가 도착할 때마다 새로운 스케줄링이 이루어짐
• 선점형 스케줄링 방식
• 새로운 프로세스가 도착할 때마다 스케줄링을 다시 하기 때문에 CPU 사용시간을 측정할 수가 없다.
• starvation -> 단점

 

 

☝ Priority Scheduling

• 우선순위가 가장 높은 프로세스에게 CPU를 할당하는 스케줄링
• 우선순위란 정수로 표현하게 되고 작은 숫자가 우선순위가 높다.
• 선점형 스케줄링 방식
  더 높은 우선순위의 프로세스가 도착하면 실행 중인 프로세스를 멈추고 CPU를 선점
• 비선점형 스케줄링 방식
  더 높은 우선순위의 프로세스가 도착하면 Ready Queue의 Head에 넣는다.
• starvation -> 단점
• 무기한 봉쇄(Indefinite Blocking)
  실행 준비는 되어있으나 CPU를 사용 못하는 프로세스를 CPU가 무기한 대기하는 상태
• 해결 방법 -> aging
  우선순위가 낮은 프로세스도 오래 기다리면 우선순위를 높여주는 방법

 

 

☝ Round Robin

• 현대적인 CPU 스케줄링
• 각 프로세스는 동일한 크기의 할당 시간을 갖는다.
• 할당 시간이 지나면 프로세스는 선점당하고 Ready Queue에 제일 뒤로 가게 된다.
• CPU 사용시간이 랜덤한 프로세스들이 섞여있는 경우 효율적
• 설정한 할당 시간이 너무 커지면 FCFS와 같아진다. 또 너무 작아지면 잦은 문맥 교환으로 Overhead가 발생한다.