[operating_system] Process & Thread

Process & Thread

process란?

🍯 실행파일(program)이 memory에 적재되어 CPU를 할당받아 실행되는 것을 process라 한다.

Memory에 적재

• memory는 CPU가 직접 접근할 수 있는 컴퓨터 내부의 기억장치.
• program이 CPU에서 실행되려면 해당 내용이 memory에 적재된 상태여야만 함
• 프로세스에 할당되는 memory 공간은 Code, Data, Stack, Heap 4개의 영역으로 이루어져 있으며, 각 process마다 독립적으로 할당

Code 영역	실행한 프로그램의 코드가 저장되는 메모리 영역
Data 영역	프로그램의 전역 변수와 static 변수가 저장되는 메모리 영역
Heap 영역	프로그래머가 직접 공간을 할당(malloc)/해제(free) 하는 메모리 영역
Stack 영역	함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 매개 변수가 저장되는 임시 메모리 영역

CPU의 연산과 PC register

• 프로그램의 코드를 토대로 CPU가 실제로 연산을 해야 실행된다고 볼 수 있음
• 코드 읽는 것을 정하는 것은, CPU 내부에 있는 Program Counter Register에 저장되어 있음.
• PC Register에 다음에 실행될 코드 주소값이 저장되어 있으며, 순차적으로 PC Register가 가리키게 되고, 해당 명령어들을 읽어와 CPU가 연산을 하게 되면, 프로세스가 실행 되는 것.

Multi process란?

• Multi process란 2개 이상의 process가 동시에 실행되는 것을 말합니다. 동시에라는 말은 동시성(concurrency)과 병렬성(parallelism) 두 가지를 의미한다.
• 동시성은 CPU core가 1개일 때, 여러 process를 짧은 시간동안 번갈아 가면서 연산을 하게 되는 시분할 시스템(time sharing system)으로 실행되는 것
• 병렬성은 CPU core가 여러개일 때, 각각의 core가 각각의 process를 연산함으로써 process가 동시에 실행되는 것

예시

EX) 노트북 여러개의 CPU Core = 여러 프로세스가 동시에 처리되는 것을 병렬성이라 함. 동시성 = 한개의 CPU core에서 mulit process가 작동되는 원리

동시성(Concurrency) vs 병렬성(Parallelism)

동시성	병렬성
Single core	Multi core
동시에 실행되는 것 같아 보인다.	실제로 동시에 여러 작업이 처리 된다.

Single core의 동시성

Multi process

• M2개 이상의 process가 동시에 실행, 이 때 process들은 CPU와 메모리를 공유한다.
• Memory 경우, 여러 Process들이 각자의 메모리 영역을 차지하여 동시에 적재
• 하나의 CPU는 매순간 하나의 Process만 연산할 수 있으나, CPU 처리속도가 빨라서, 수 ms 이내의 짧은 시간동안 여러 프로세스들이 CPU에서 번갈아 실행되기 때문에, 사용자 입장에서는 여러 프로그램이 동시에 실행되는 것처럼 보임.
• CPU의 작업시간을 여러 프로세스들이 조금씩 나누어 쓰는 시스템을 시분할 시스템이라 불림.

메모리 관리

• 여러 프로세스가 동시에 메모리에 적재된 경우, 서로 다른 프로세스의 영역을 침범하지 않도록 각 프로세스가 자신의 메모리영역에만 접근하도록 운영체제가 관리.

CPU의 연산과 PC register

• CPU는 PC(Program Counter) register가 가리키고 있는 명령어를 읽어, 연산을 진행한다.
• PC Register에는 다음에 실행될 명령어의 주소값이 저장되어 있음.

멀티프로세스 시스템에서 Process1 진행되고 있을때는 process1 code 영역을 PC Register가 가리키다가, Process2가 진행되면 Process2의 code영역을 가리키게 된다. CPU는 PC Register가 가리키는 곳에 따라 Process를 변경해가면서, 명령어를 읽어들이고, 연산을 하게 된다.

Context

• 시분할 시스템에서는 한 프로세스가 매우 짧은 시간동안 CPU를 점유하면서, 일정부분의 명령을 수행하고, 다른 프로세스에게 넘긴다. 차례가 되면 다시 CPU를 점유하여, 명령을 수행
• 이전에서 어디까지 명령을 수행하고, Register에는 어떤 값이 저장되어 있는지에 대한 정보가 필요
• 프로세스가 현재 어떤 상태로 수행되고 있는지에 대한 정보가 Context
• Context정보들은 PCB(Process Control Block)에 저장

PCB(Process Control Block)

• 운영체제가 프로세스를 표현한 자료구조
• 프로세스의 중요한 정보를 포함(보호된 메모리 영역안에 저장)
• 일부 운영체제 에서는 커널 스택에 위치(보호받으면서, 접근하기 쉬움)

PCB는 아래와 같은 정보가 포함되어 있음

PCB
Process State	new, running, waiting, halted 등의 state가 있다.
Process Number	해당 process의 number
Program counter(PC)	해당 process가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킨다
Registers	컴퓨터 구조에 따라 다양한 수와 유형을 가진 register 값들
Memory limits	base register, limit register, page table 또는 segment table 등

Context switch

• Context switch란 한 프로세스에서 다른 프로세스로 CPU 제어권을 넘겨주는 것
• 이전의 프로세스의 상태를 PCB에 저장하여 보관하고 새로운 프로세스의 PCB를 읽어서 보관된 상태를 복구하는 작업이 이루어진다.

⭐⭐ Multi thread란?

• thread는 한 process 내에서 실행되는 동작(기능 function)의 단위
• 각 thread는 속해있는 process의 Stack 메모리를 제외한 나머지 memory 영역을 공유할 수 있다
• Multi thread란 하나의 process가 동시에 여러개의 일을 수행할수 있도록 해주는 것
• 하나의 process에서(실행이 된 하나의 program에서) 여러 작업을 병렬로 처리하기 위해 multi thread를 사용한다.
• multi thread에서는 한 process 내에 여러 개의 thread가 있고, 각 thread들은 Stack 메모리를 제외한 나머지 영역(Code, Data, Heap) 영역을 공유한다.

Thread는 Process내에서 독립적인 기능을 수행한다. 독립적으로 함수를 호출함을 의미하고, Stack memory가 각자 필요함. Thread가 무엇인지 이해하고, multi proess와 어떤점이 다른지를 생각해보기! 또한, 독립적인 stack memory와 PC Register가 필요하다는 점 기억!

Thread와 multi thread

• thread는 process 내에서 독립적인 기능을 수행
• 각 thread는 독립적인 기능을 수행한다는 것은 독립적으로 함수를 호출함을 의미

Stack memory & PC register

• thread가 함수를 호출하기 위해서는 인자 전달, Return Address 저장, 함수 내 지역변수 저장 등을 위한 독립적인 stack memory 공간을 필요
• thread는 process로부터 Stack memory 영역은 독립적으로 할당받고, Code, Data, Heap 영역은 공유하는 형태
• multi thread에서는 각각의 thread마다 PC register를 가지고 있어야 한다. (한 process 내에서도 thread끼리 context switch가 일어나게 되는데, PC register에 code address가 저장되어 있어야 이어서 실행을 할 수 있기 때문)

⭐⭐ multi process와 multi thread를 비교

• multi thread는 multi process보다 적은 메모리 공간을 차지하고 Context Switching이 빠르다.
• multi process는 multi thread보다 많은 메모리공간과 CPU 시간을 차지
• multi thread는 동기화 문제와 하나의 thread 장애로 전체 thread가 종료될 위험
• multi process는 하나의 process가 죽더라도 다른 process에 영향을 주지 않아 안정성이 높음

두 방법은 동시에 여러 작업을 수행한다는 측면에서 유사한 면이 있음. 적용할 시스템에 따라 두 방법의 장단점을 고려하여 적합한 방식을 선택 메모리 구분이 필요할때 = Multi Process가 유리 Context swichin 빈번, 데이터 공유 빈번, 자원 효율적 활용일 경우 = Multi Thread

Multi process & Multi thread

• multi process대신 multi thread로 구현할 경우, 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어든다. (하지만 멀티 스레드를 사용할 때에는, 스레드간 자원을 공유하기 때문에, 동기화 문제가 발생할 수 있기 때문에, 프로그램 설계가 필요)
• 프로세스간 통신(IPC)보다 Thread간 통신 비용이 적기 때문에 오버헤드가 적음.

	메모리 사용 / CPU 시간	Context switching	안정성
multi process	많은 메모리 공간 / CPU 시간 차지	느림	높음
multi thread	적은 메모리 공간 / CPU 시간 차지	빠름	낮음

참조 : 개발남노씨 운영체제