프로세스와 스레드 - 프로세스2

[jcrescent61]

프로세스의 메모리 구조

운영체제는 프로세스에 적절한 메모리를 할당하는데 다음 구조를 기반으로 할당한다.
위에서부터 스택, 힙, 데이터, 코드 영역으로 나뉜다. 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

스택

스택에는 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되면 '동적'인 특징을 갖는다.
스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데, 이때 힙과 스택의 메모리 영역이 겹치면 안 되기 때문에 힙과 스택 사이의 공간을 비워 놓는다.

힙

힙은 동적 할당할 때 사용되며 런타임 시 크기가 결정된다. 예를 들어 벡터 같은 동적 배열은 당연히 힙에 동적 할당된다. 힙은 '동적'인 특징을 가진다.

데이터 영역

데이터 영역은 전역변수, 정적변수가 저장되고, 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어있는 영역이다.
데이터 영역은 BSS 영역과 Data 영역으로 나뉘고 BSS 영역은 초기화가 되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되머 Data 영역은 0이 아닌 다른 값으로 할당된 변수들이 저장된다.

코드 영역

코드 영역은 프로그램에 내장되어 있는 소스 코드가 들어가는 영역이다. 이 영역은 수정 불가능한 기계어로 저장되어 있으며 정적인 특징을 가진다.

PCB

PCB는 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 '데이터'를 말한다. 프로세스 제어 블록이라고도 하며 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB를 생성한다. 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 앞서 설명한 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당된다. 그리고 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장되어 관리된다. 이는 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의 가장 앞부분에서 관리된다.

메타데이터
데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은 데이터, 대량의 정보 가운데에서 찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 부여되는 데이터이다.

PCB의 구조

PCB는 프로세스 스케줄링 상태, 프로세스 ID 등의 다음과 같은 정보로 이루어져있다.

• 프로세스 스케줄링 상태: '준비', '일시중단' 프로세스가 CPU에 대한 소유권을 얻은 이후 또는 이후 경과한 시간과 같은 기타 스케줄링 정보
• 프로세스 ID: 프로세스 ID, 해당 프로세스의 자식 프로세스 ID
• 프로세스 권한: 컴퓨터 자원 또는 I/O 디바이스에 대한 권한 정보
• 프로그램 카운터: 프로세스에서 실행해야 할 다음 명령어의 주소에 대한 포인터
• CPU 레지스터: 프로세스를 실행하기 위해 저장해야 할 레지스터에 대한 정보
• CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
• 계정 정보: 프로세스 실행에 사용된 CPU 사용량, 실행한 유저의 정보
• I/O 상태 정보: 프로세스에 할당된 I/O 디바이스 목록

컨텍스트 스위칭

컨텐스트 스위칭은 앞서 설명한 PCB를 교환하는 과정을 말한다. 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다. 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는 프로세스는 단 한개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것 처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의 컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문이다. 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명은 틀린 설명이다. 하지만 컨텍스트 스위칭을 설명할 때는 싱글코어를 기준으로 설명한다.
한 개의 프로세스 A가 실행하다 멈추고, 프로세스 A의 PCB를 저장하고 다시 프로세스 B를 로드하여 실행한다. 그리고 다시 프로세스 B의 PCB를 저장하고 프로세스 A의 PCB를 로드한다. 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 유휴 시간(idel time)이 발생한다. 이뿐만 아니라 이 컨텍스트 스위칭에 드는 비용이 더 있다. 바로 캐시미스이다.

비용: 캐시미스
컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생한다.

스레드에서의 컨텍스트 스위칭
참고로 이 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어난다. 스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레스 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.

멀티프로세싱

멀티프로세싱은 여러 개의 '프로세스' 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말한다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다.

웹 브라우저

웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있으며 다음과 같다.

• 브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당한다.
• 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 '보이는' 부분의 모든 것을 제어한다.
• 플로그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어한다.
• GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어한다.

IPC

멀티프로세스는 IPC(Inter Process Communication)가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다. 클라이언트와 서버를 예로 들 수 있는데, 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것도 IPC의 예이다. IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다. 이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

공유 메모리
공유 메모리는 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것을 말한다.
기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다. IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 고융하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르며 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다. 참고로 하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM을 가리키기도 한다.

파일
파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말한다. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.

소켓
동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 테이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.

익명 파이프
익명 파이프는 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다. 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크 상에서는 사용이 불가능하다.

명명된 파이프
명명된 파이프는 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말한다. 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다. 보통 서버용 파이프와 클라이언트용 파이프로 구분해서 작동하며 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신한다.

메시지 큐
메시지 큐는 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 이는 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다.
공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.