운영체제 요약 공부

운영체제와 관련해 간단하게 요약되게 공부하려고 한다.

Interview_Question_for_Beginner/OS at main · JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner (github.com)

위 깃허브 글을 보고 학습한 내용입니다. 

 

1. 프로세스 

프로세스는 실행 중인 프로그램으로, 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다. 
운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당 받으며, 이것들을 총칭해 프로세스라고 한다.
또한 매개변수, 지역 변수 등의 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역 변수 등을 수록하는 데이터 구역, 동적으로 할돵되는 메모리인 힙을 포함한다. jvm 공부할 때의 그 메모리 구성이 이러한 프로세스이기에 메소드 영역(전역변수, 클래스, 메소드), 스택 영역(지역 변수), 힙 영역(참조형 데이터 타입을 갖는 객체, 배열)등으로 구분되는 것 같다.

또한 프로세스에는 프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)라는 자료 구조가 있는데
PCB는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료 구조다. 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다. 

PCB에 저장되는 정보는 다음과 같다.
프로세스 식별자 (Process ID, PID) - 프로세스 식별 번호
프로세스 상태 - new, ready, running 등의 상태 저장
프로그램 카운터 - 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
CPU 레지스터
CPU 스케줄링 정보 - 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 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, 계정 번호 등

2. 스레드

스레드는 프로세스의 실행 단위다. 한 프로세스 내에서 동작되는 여러실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다. 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성된다. 또한 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다. 

여기서 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있다.

그렇다면 왜 스택을 스레드마다 독립적으로 할당해야 할까?

스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고, 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다. 따라서 스레드는 각각의 스택만을 독립적으로 할당받고, 코드, 데이터, 힙 영역을 공유한다. 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레들은 같은 힙 공간을 공유하고, 다른 프로세스의 메모리에는 접근할 수 없다. 

또한 PC 레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유는 PC값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타내게 되고, 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점된다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행됐는지 기억할 필요가 있다. 이로 인해 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다. 

3. 멀티 스레딩

위에서 언급한 멀티 스레딩에 대해 장단점을 알아보자.

프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우, 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다. 스레드 간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는 것이 아니라 전역 변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 힙 영역을 이용하여 데이터를 주고 받을 수 있다. 그렇기에 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단하다. 또한 스레드의 context switch는 프로세스의 context switch와 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기에 더 빠르다. 따라서 시스템의 throughput이 향상되고 자원 소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램 응답 시간이 줄어든다. 이러한 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있느 작업들을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠 수행하는 것이다.

반면에 단점도 있다.

멀티 프로세스 기반으로 프로그래밍할 때는 프로세스 간 공유하는 자원이 없기 때문에 동일한 자원에 동시에 접근하는 일이 없었지만 멀티 스레딩을 기반으로 프로그래밍할 때는 이 부분을 신경써줘야 한다. 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근해 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다. 따라서 멀티 스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤하는 것이다. 하지만 이로 인해 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다. 그러므로 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 한다. 

4. 멀티 스레드와 멀티 프로세스

멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 안고 있다. 반면에 멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있다. 하지만 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재한다.