[ 면접을 위한 cs 전공지식 노트 정리 ] 3.운영체제 : 프로세스와 스레드 2

(출처 :  https://www.inflearn.com/course/%EA%B0%9C%EB%B0%9C%EC%9E%90-%EB%A9%B4%EC%A0%91-cs-%ED%8A%B9%EA%B0%95)

3.3 프로세스와 스레드

3.3.5 멀티프로세싱
3.3.6 스레드와 멀티스레딩
3.3.7 공유 자원과 임계 영역
3.3.8 교착 상태

 

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3.3 프로세스와 스레드

 

3.3.5 멀티프로세싱

 

 멀티프로세싱은 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말하며, 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있고 특정 프로세스의 메모리 프로세스 중 문제가 발생해도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다.

 

• 웹 브라우저

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

• IPC(Inter Process Communication, 프로세스간 통신)
  
  프로세스들 사이에 서로 데이터를 주고받는 행위 또는 그에 대한 방법이나 경로를 뜻한다.
  클라이언트와 서버를 예로 들 수 있는데 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것도 IPC의 예이다.
  IPC의 종류는 아래와 같으며, 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

• 공유 메모리(shared memory)
  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 공유하기 때문에 불필요한 데이터복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르며 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.
  (하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM을 가리키기도 한다.)
  
  
• 파일
  디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말하며, 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 한다.
  
  
• 소켓
  동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.
  
  
• 익명 파이프(unamed pipe)
  프로세스 간에 FIFO방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다. 이는 부모-자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능하다.
• 명명된 파이프(named pipe)
  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 통신할 수 있다. 보통은 서버용 파이프와 클라이언트용 파이프로 구분해서 작동하며 하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신한다.
  
  
• 메시지 큐(queue)
  메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 이는 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC방식에 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 떄 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해지는데, 이때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 한다.

3.3.6 스레드와 멀티스레딩

 

• 스레드
  프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위를 말하며, 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.
  코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유하며 그 외의 영역은 각자 생성된다.
  
  
• 멀티스레딩
  멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다. 
  
  예를 들어 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며, 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드는 실행(running) 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하며 동시성(서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것)에도 큰 장점이 있다. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.
  
  멀티스레드의 예로는 웹 브라우저의 렌더러 프로세스를 예로 들 수 있으며, 이 프로세스 내에는 메인 스레드, 워커 스레드, 컴포지터 스레드, 레스터 스레드가 존재한다.

3.3.7 공유 자원과 임계 영역

 

• 공유자원(shared resoursce)
  
  시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다.
  이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁상태(race condition)이라고 하는데, 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태인 것이다.
  
  예를 들어 종신코인은 100개인데 프로세스 A와 프로세스 B가 동시에 접근하여 타이밍이 서로 꼬여 정상 결괏괎은 300인데 200이 출력된다.

 

• 임계영역(critical section)
  
  둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다.
  임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며 이 방법 모두 상호 배제(한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없음), 한정 대기(특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안됨), 융통성(한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안됨)이란 조건을 만족한다. 이 방법들의 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)인데, 예를 들어 임계 영역을 화장실이라고 가정하면 A라는 사람이 화장실에 들어간 다음 문을 잠그고 다음 사람이 이를 기다리다 A가 나오면 화장실을 쓰는 방법이다.

• 뮤텍스(mutex)
  프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체이다.
  잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대이며, 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가진다.
  
  
• 세마포어(semaphore)
  일반화된 뮤텍스로, 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P함수라고 하기도 함) 및 signal(V함수라고 하기도 함)로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.
  wait()는 자신의 차례가 올 때 까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.
  
  프로스세나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고, 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다. 세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.
  
  * 바이너리 세마포어
  0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어이다. 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만 엄밀히 말하면 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 '잠금 메커니즘'이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 메커니즘'이다. 여기서 신호 메커니즘은 휴대폰에서 노래를 듣다가 친구로부터 전화가 오면 노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는 것을 예시로 들 수 있다.
  
  * 카운팅 세마포터
  여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이며 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용된다.
  
  * 모니터
  둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.
  모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 한다는 차이점이 있다.

3.3.8 교착 상태

 

교착상태(deadlock)는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 A가 점유하고 있는 자원을 요청하는 것이다.

 

• 교착 상태의 원인

• 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다.
• 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태이다.
• 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
• 환형 대기 : 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.

• 교착 상태의 해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 쓴다.
   
   * 은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘 
   
   
3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
4. 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다.
   (현대 운영체제가 택한 방법으로 프로세스 실행 중 '응답없음' 이 바로 이런 경우이다.)