고민의 흔적

프로세스

컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업이다.

코드, 데이터, 스택, 힙 메모리 영역을 기반으로 작업한다. 

스레드

프로세스 내 작업의 흐름

프로세스 내의 스택 메모리 영역을 제외한 다른 메모리 영역을 프로세스 내 다른 스레드들과 공유한다.

프로세스가 다른 프로세스와 통신을 하기 위해서는 IPC를 사용해야 하지만 스레드는 메모리를 공유하기 때문에 다른 스레드와의 정보 공유가 쉽다. 그러나 스레드의 경우 동기화 문제 등의 단점이 있다.

예를 들어 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하여 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드를 실행상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다. 또한 동시성에서도 큰 장점이 있다. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.

동시성 

서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것

CPU프로세스 실행

프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 인스턴스화가 일어나고 이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU프로세스를 실행한다.

프로세스와 컴파일 과정

프로세스는 프로그램으로부터 인스턴스화된 것을 말한다. 

프로그램은 컴파일러가 컴파일 과정을 거쳐 컴퓨터가 이해할 수 있는 기계어로 번역 되어 실행될 수 있는 파일이 되는 것을 의미한다.

컴파일 과정

전처리

소스 코드의 주석을 제거하고 #include 등 헤더 파일을 병합하여 매크로를 치환한다.

컴파일러

오류처리, 코드 최적화 작업을 하며 어셈블리어로 변환

어셈블러

어셈블리어는 목적 코드로 변환된다.

링커

프로그램 내에 있는 라이브러리 함수 또는 다른 파일들과 결합하여 목적 코드를 결합하여 실행 파이을 만든다.

정적 라이브러리

프로그램 빌드 시 라이브러리가 제공하는 모든 코드를 실행 파일에 넣는 방식

시스템 환경 등 외부 의존도가 낮고 코드 중복 등 메모리 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

동적 라이브러리

프로그램 실행 시 필요할 때만 DLL이라는 함수 정보를 통해 참조하는 방식

메모리 효율성에서의 장점과 외부 의존도가 높아진다는 단점이 있다.

프로세스의 메모리 구조

스택, 힙, 데이터 영역, 코드 영역으로 나눠진다. 스택은 위 주소부터 할당되고 힙은 아래 주소부터 할당된다.

스택

스택에는 지역변수, 매개변수, 함수가 저장되고 컴파일 시에 크기가 결정되며 동적인 특징을 갖는다.

스택 영역은 함수가 함수를 재귀적으로 호출하면서 동적으로 크기가 늘어날 수 있는데 이때 힙과 스택이 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.

데이터 영역

데이터 영역은 전역 변수, 정적 변수가 저장되고 정적인 특징을 갖는 프로그램이 종료되면 사라지는 변수가 들어 있는 영역

데이터 영역은 BSS 영역과 Data 영역으로 나뉘고, BSS 영역은 초기화되지 않은 변수가 0으로 초기화되어 저장되며 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

운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말한다. 프로세스 제어 블록이라고도 한다. 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.

PCB의 구조

• 프로세스 스케줄링 상태
• 프로세스 ID
• 프로세스 권한
• 프로그램 카운터
• CPU 레지스터
• CPU 스케줄링 정보
• 계정 정보
• I/O 상태 정보

컨텍스트 스위칭

PCB를 교환하는 과정을 말한다. 한 프로세스의 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생한다.

비용 : 캐시 미스

컨텍스트 스위칭이 일어날때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된 주소 변환이 생기므로 캐시 클리어 과정을 겪게되고 이 때문에 캐시 미스가 일어난다.

스레드에서의 컨텍스트 스위칭

스레드는 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 컨텍스트 스위칭의 경우 비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸린다.

멀티 프로세싱

여러 개의 프로세스 즉 멀티 프로세스를 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 발생하더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다.

멀티 쓰레딩

프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드 멀티 스레드로 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 중단되어도 다른 스레드는 실행상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다. 또한 동시성에도 큰 장점이 있다. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.

IPC

프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻한다.

클라이언트와 서버를 예로 들 수 있는데, 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것도 I
PC의 예이다. IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있다. 이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

공유 메모리

여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성하는 것을 말한다. 기본적으로 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다.

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 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.

익명 파이프

프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식

명명된 파이프

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. 컴퓨터 프로세스끼리 또는 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.

메시지 큐

메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미한다. 이는 커널의 전역 변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC방식에 비해서 사용방법이 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.