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CS 기술면접 단골질문인 Program, Process, Thread의 차이와 기본적인 작동방식에 대해 설명할 줄 알아야 한다.

  • “운영체제가 시스템 자원을 어떤 방식으로 할당하고, 실제로 프로그램은 이 자원을 어떤 방식으로 활용하여 작동할까?”
  • Program: 아직 실행되지 않은 프로그램
  • Process: 실행 중인 프로그램. 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위
  • Thread: 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위


1. Program

Program: 파일이 저장장치에 저장되어 있지만, 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태. 즉, 아직 실행되지 않은 파일 그 자체로 그냥 코드 덩어리.

  • 메모리에 올라가 있지 않은: 아직 운영체제가 프로그램에게 독립적인 메모리 공간을 할당해주지 않은
  • 정적인 상태: 움직이지 않는 상태. 실행되지 않고 가만히 있는 상태


2. Process

프로그램에 의미를 부여하기 위해 프로그램을 실행해보자. (= 프로세스를 생성한다)

Program이 실행되기 전까지는 보조기억장치에 있는 데이터 덩어리일 뿐! 하지만, program을 실행하는 순간 해당 파일이 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 이러한 동적인 상태의 프로그램을 process라고 한다. 즉, process는 실행 중인 프로그램.

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1) PCB (프로세스 제어 블록)

모든 process는 실행을 위해 CPU를 필요로 하지만, CPU 자원은 한정되어 있다. 따라서 process들은 차례대로 돌아가며 한정된 시간만큼만 CPU를 이용한다. 자신의 차례가 되면 정해진 시간만큼 CPU를 이용하고, 시간이 끝났음을 알리는 Timer interrupt가 발생하면 다음 process에 차례를 넘기고 기다린다.

운영체제는 빠르게 번갈아 수행되는 process의 실행순서를 관리하고, process에 CPU를 비롯한 자원을 배분한다. 이를 위해 운영체제는 PCB(Process Control Block)을 이용한다.

  • PCB: Process와 관련된 정보를 저장하는 자료구조
    • 커널 영역에 생성된다
    • 운영체제가 수많은 process 들 사이에서 PCB로 특정 process를 식별하고 해당 process를 처리하는 데 필요한 정보를 판단한다
    • Process 생성 시에 만들어지고 실행 끝남과 동시에 폐기된다.
      • 즉, ‘새로운 프로세스가 생성되었다’ = ‘운영체제가 PCB를 생성했다’
      • ‘프로세스가 종료되었다’ = ‘운영체제가 PCB를 폐기했다’

  • PCB에 담기는 정보

    1) PID(Process ID): Process를 식별하기 위한 고유번호

    2) 레지스터 값: Process는 자신의 실행 차례가 돌아오면 이전까지 사용했던 레지스터의 중간값들을 모두 복원한다. 그래야 이전까지 진행했던 작업을 이어서 할 수 있다

    3) Process 상태: 현재 process가 입출력 장치를 사용하기 위한 대기 상태, CPU를 사용하기 위한 대기 상태, CPU 이용 중 상태인지 등

    4) CPU 스케쥴링 정보: Process가 언제, 어떤 순서로 CPU를 할당받는지에 대한 정보

    5) 메모리 관리 정보: Process마다 메모리에 저장된 위치가 다르므로 process가 어느 주소에 저장되어 있는지에 대한 정보

    6) 사용한 파일과 입출력장치 목록: Process가 실행과정에서 특정 입출력장치나 파일을 사용한 정보

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2) Context Switching

  • Context Switching: 기존 process의 context를 PCB에 백업하고, 새로운 process를 실행하기 위해 context를 PCB로부터 복구하여 새로운 process를 실행하는 것
    • 하나의 process에서 다른 process로 실행 순서가 넘어가면 먼저 실행되던 process A는 프로그램 카운터를 비롯한 각족 레지스터 값, 메모리 정보, 실행을 위해 열었던 파일이나 사용한 입출력 장치 등 지금까지의 중간 정보를 백업한다. 그래야 다음 차례가 왔을 때 이전까지 실행했던 내용에 이어 다시 실행 재개 가능. 이러한 중간 정보를 context라고 한다.
    • Context Switching은 여러 process가 끊임없이 빠르게 번갈아 가며 실행되는 것으로, process가 그만큼 빨리 번갈아 수행되기 때문에 여러 process가 동시에 실행되는 것처럼 보인다

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3) Process의 메모리 영역

Process가 생성되면 커널 영역에 PCB가 생성되고, 사용자 영역에는 process가 Code/Data/Heap/Stack 영역으로 나뉘어 저장된다.

Code 영역

  • 실행할 수 있는 코드가 저장된다
  • 데이터가 아닌 CPU가 실행할 명령어가 있기 때문에 쓰기가 금지되어 있다. 즉, read-only (읽기전용) 공간이다
  • Process 실행 과정에서 크기가 변하지 않는 정적 할당 영역

Data 영역

  • Program이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간 ex) 전역변수
  • Process 실행 과정에서 크기가 변하지 않는 정적 할당 영역

Heap 영역

  • 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간
  • 프로그래밍 과정에서 메모리 공간을 할당했다면 언젠가는 해당 공간을 반환해야 한다.
    • 메모리 공간을 반환한다 = ‘더 이상 해당 메모리 공간을 사용하지 않겠다’라고 운영체제에 말해주는 것
    • 메모리 공간을 반환하지 않는다면 할당한 공간은 메모리에 계속 남아 메모리 낭비를 초래한다 (Memory Leak)
  • Process 실행 과정에서 크기가 변할 수 있는 동적 할당 영역

Stack 영역

  • 데이터를 일시적으로 저장하는 공간 ex) 지역변수
  • 일시적으로 저장할 데이터는 stack 영역에 PUSH되고, 더 이상 필요하지 않은 데이터는 POP되면서 stack 영역에서 사라진다
  • Process 실행 과정에서 크기가 변할 수 있는 동적 할당 영역

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4) Process 상태

Program이 실행될 때 여러 Process들이 빠르게 번갈아 가면서 실행된다. 그 과정에서 하나의 Process는 여러 상태를 거치면서 실행된다.

New (생성 상태)

  • Process를 생성 중인 상태. 이제 막 메모리에 적재되어 PCB를 할당받은 상태
  • 생성 상태를 거쳐 실행할 준비가 완료된 process는 곧바로 실행되지 않고 Ready 상태로 넘어가 CPU의 할당을 기다린다

Ready (준비 상태)

  • 당장이라도 CPU를 할당받아 실행할 수 있지만, 아직 차례가 아니라 기다리고 있는 상태
  • 차례가 되면 CPU를 할당받아 Running 상태로 넘어간다

Runnning (실행 상태)

  • CPU를 할당받아 실행 중인 상태
  • 할당된 일정 시간동안 CPU를 사용할 수 있다
  • Process가 할당된 시간을 모두 사용한다면(timer interrupt가 발생하면) 다시 Ready 상태가 되고, 실행 도중 입출력 장치를 사용하여 입출력 장치의 작업이 끝날 때까지 기다려야한다면 Blocked 상태가 된다.

Blocked (대기 상태)

  • 특정 이벤트가 일어나길 기다리는 상태 (입출력 장치의 작업을 기다리는 상태)
  • Process는 실행 도중 입출력 장치를 사용하는 경우가 있는데 입출력 작업은 CPU에 비해 처리 속도가 느려 입출력 작업을 요청한 process는 입출력장치가 입출력을 끝낼 때까지 (입출력 완료 interrupt를 받을 때까지) 기다려야 한다
  • 입출력 작업이 완료되면 해당 process는 다시 Ready 상태로 CPU 할당을 기다린다

Terminated (종료 상태)

  • Process가 종료된 상태
  • Process가 종료되면 운영체제는 PCB와 process가 사용한 메모리를 정리한다

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5) Process 계층 구조

  • Process는 실행 도중 시스템 호출을 통해 다른 process를 생성할 수 있다
    • Parent Process (부모 프로세스): 새로운 process를 생성한 process
    • Child Process (자식 프로세스): 부모 프로세스에 의해 생성된 process
  • 부모와 자식 process는 서로 다른 process이기에 서로 다른 PID를 가진다

  • Parent process로부터 생성된 child process는 실행 과정에서 또 다른 child process를 생성할 수 있고, 그 child process는 실행 과정에서 또 다른 child process를 생성할 수 있다.

    → 이처럼 많은 운영체제가 process가 process를 낳는 계층적인 구조로 process들을 관리한다

  • 컴퓨터가 부팅될 때 실행되는 최초의 process가 child process를 생성하면서 시작

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6) Process 생성 기법

  • Parent process를 통해 생성된 child process들은 fork와 exec를 통해 실행된다.
    • fork: 자기 자신 process의 복사본을 만드는 시스템 호출
      • Parent process는 fork를 통해 자신의 복사본을 child process로 생성해 낸다
    • exec: 자신의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰는 시스템 호출
      • 만들어진 복사본(child process)은 exec를 통해 자신의 메모리 공간을 다른 program으로 교체한다
      • exec가 호출되면 code 영역과 data 영역의 내용이 실행할 program의 내용으로 바뀌고, 나머지 영역은 초기화 된다
  • Child process는 parent process의 자원들을 상속하지만, PID 값이나 저장된 메모리 위치는 다르다.

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3. Thread

과거에는 program을 실행할 때 실행 시작부터 끝까지 하나의 프로세스만 사용해서 일이 처리되었다. 하지만 하나의 process만 사용해서 프로그램을 실행하기에는 단순히 한 작업 밖에 못했었다. 그래서 process보다 더 작은 단위인 thread라는 개념이 도입되었다. Thread 덕분에 하나의 process가 한 번에 여러 일을 동시에 처리할 수 있게 되었다.

  • Thread는 process 내에서 서로 다른 스레드 ID, 프로그램 카운터 값을 포함한 레지스터 값, 스택을 갖고 있어서 thread마다 서로 다른 코드를 실행할 수 있다.
  • Thread는 process 의 자원을 공유한다. 즉, 한 process 내의 thread는 Code/Data/Heap 영역을 공유한 채 실행에 필요한 최소한의 정보(스레드 ID, 프로그램 카운터 값을 포함한 레지스터 값, 스택)를 이용해 실행된다.

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4. Multiprocess vs. Multithread

  • Multiprocess: 여러 process를 동시에 실행하는 것
  • Multithread: 여러 thread로 process를 동시에 실행하는 것

동일한 작업을 수행하는 단일 thread의 process 여러 개를 실행하는 것과 하나의 process를 여러 thread로 실행하는 것은 무엇이 다를까?

  • Process를 fork하여 같은 작업을 하는 동일한 process 여러 개를 동시에 실행하면 Code/Data/Heap 영역을 비롯한 모든 자원이 복제되어 메모리에 적재된다. 같은 프로그램을 실행하기 위해 메모리에 동일한 내용들이 중복해서 여러 개씩 존재하는 것은 낭비!
  • 하지만, thread는 스레드 ID, 프로그램 카운터 값을 포함한 레지스터 값, 스택의 정보만 서로 다를 뿐 process가 가지고 있는 자원을 공유한다.

image09 Multiprocess

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1) Multithread 장단점

  • 장점
    • 여러 process를 병행 실행하는 것보다 메모리를 효율적으로 사용 가능
    • 서로 다른 process 들은 기본적으로 자원을 공유하지 않기 때문에 서로 독립적으로 실행되지만, thread는 process의 자원을 공유하기 때문에 서로 협력과 통신에 유리하며, 응답시간이 빠르다
  • 단점
    • Multiprocess 환경에서는 하나의 process에 문제가 생겨도 다른 process에는 지장이 적거나 없다. 하지만, multithread 환경에서는 하나의 thread에 문제가 생기면 process 전체에 문제 발생 가능성! 모든 thread는 process의 자원을 공유하고, 하나의 thread에 문제가 생기면 다른 thread도 영향을 받기 때문.
    • 자원을 공유하기 때문에 Synchronization Issue(동기화 문제) 발생 가능성
      • Synchronization Issue(동기화 문제): 여러 thread가 함께 전연변수를 사용할 경우 발생할 수 있는 충돌. 예를 들어, multithread를 사용하면 각각의 thread 중 어떤 것이 어떤 순서로 실행될지 그 순서를 알 수 없다. 만약 thread A가 어떤 자원을 사용하다가 thread B로 제어권이 넘어간 후 thread B가 해당 자원을 수정했다면 다시 제어권을 받은 thread A가 해당 자원에 접근하지 못하거나 바뀐 자원에 접근하게 되는 오류가 발생할 수 있다.
      • 스케쥴링은 운영체제가 자동으로 해주지 않기 때문에 프로그래머가 직접 적절한 기법을 직접 구현하여 multithread 사용시 동기화 문제에 대응할 수 있도록 해야한다.

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2) IPC (프로세스 간 통신)

기본적으로 process끼리는 자원을 공유하지 않지만, process 끼리도 자원을 공유하고 데이터를 주고 받을 수 있다! 이것을 IPC(Inter-Process Communication)이라고 한다.

어떤 방식으로 통신이 이루어질까?

  • 파일을 통한 통신: 예를 들어 Process A에는 ‘test.txt’ 파일에 값을 쓰는 프로세스. Process B는 ‘test.txt’ 파일을 읽는 프로세스라면 두 프로세스는 ‘test.txt’ 파일 속 데이터를 주고 받으므로 프로세스 간의 통신이 이루어진다.
  • 공유 메모리: 예를 들어 Process A와 Process B가 공유하는 메모리 영역 내에 ‘name’이라는 전역변수가 있다하자. Process A가 ‘name’ 안에 값을 저장한 뒤, Process B가 ‘name’ 변수 값을 읽어들인다면 두 Process는 전역변수 ‘name’을 통해 값을 주고받으며 통신한 것.

즉, process 간의 통신은 모든 자원을 애초에 공유하고 있는 thread에 비해 까다로운 것일 뿐 불가능한 것은 아니다!


Reference

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