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CS 전공지식

24.01.24 프로세스 2

1. 프로세스

    - 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램을 말하며 CPU 스케쥴링의 대상이 되는 작업 이라는 용어와 거의

      같은 의미로 쓰임

    - 아래 그림처럼 프로그램이 메모리에 올라가면 프로세스가 되는 인스턴스화가 일어나고,

      이후 운영체제의 CPU 스케줄러에 따라 CPU 가 프로세스를 실행

 

  1) 프로세스의 메모리 구조

       - 위에서부터 스택(stack), 힙(heap), 데이터 영역(BSS segment, Data segment), 코드 영역(code segment)로

         나뉨

       - 스택은 위 주소 부터 할당 되고 힙은 아래 주소부터 할당 됨

 

     (1) 스택과 힙

           - 스택과 힙은 동적 할당이 됨

           - 동적 할당은 런타임 단계에서 메모리를 할당받는것을 말함

           - 스택은 지역변수, 매개변수, 실행되는 함수에 의해 늘어들거나 줄어드는 메모리 영역이고 함수가

             호출될 때 마다 호출될 때의 환경 등 특정 정보가 스택에 계속해서 저장됨

           - 스택은 재귀함수가 호출된다고 했을 때 새로운 스택 프레임이 매번 사용되기 때문에 함수내의

             변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수를 방해하지 않는다

           - 힙은 동적으로 할당되는 변수들을 담는다 malloc( ), free( ) 함수를 통해 관리할 수 있고 동적으로

             관리되는 자료구조의 경우 힙 영역을 사용

             예) vactor 는 내부적으로 힙 영역 사용

 

     (2) 데이터 영역과 코드 영역

           - 정적 할당되는 영역

           - 정적할당은 컴파일 단계에서 메모리를 할당하는 것을 말함

           - 데이터 영역은 BSS segment 와 Data segment, code/text segment 로 나뉘어 저장됨

           - BSS segment 는 전역 변수 또는 static, const 로 선언되어 있고 0으로 초기화 또는 초기화가

             어떤 값으로도 되어있지 않은 변수들이 이 메모리 영역에 할당 됨

           - Data segment 는 전역 변수 또는 static, const 로 선언되어 있고 0이 아닌값으로 초기화된

             변수가 이 메모리 영역에 할당 됨

           - code segment 는 프로그램의 코드가 들어감

 

  2) PCB (Process Control Block)

       - 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장한 데이터를 말함

       - 프로세스 제어 블록이라고도 함

       - 프로세스가 생성되면 운영체제는 해당 PCB 를 생성

       - 프로그램이 실행되면 프로세스가 생성되고 프로세스 주소 값들에 스택, 힙 등의 구조를 기반으로 메모리가 할당됨

       - 이 프로세스의 메타데이터들이 PCB 에 저장되어 관리됨

       - 프로세스의 중요한 정보를 포함하고 있기 때문에 일반 사용자가 접근하지 못하도록 커널 스택의

         가장 앞부분에서 관리됨

       * 메타데이터 : 데이터에 관한 구조화된 데이터이자 데이터를 설명하는 작은데이터, 대량의 정보 가운데에서

                              찾고 있는 정보를 효율적으로 찾아내서 이용하기 위해 일정한 규칙에 따라 콘텐츠에 대해

                              부여되는 데이터

 

     (1) PCB 구조

           - 프로세스 스케줄링 상태 : 준비, 일시중단 등 프로세스가 CPI 에 대한 소유권을 얻은 이후의 상태

           - 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

 

     (2) 컨텍스트 스위칭 (context switching)

           - PCB 를 교환하는 과정

           - 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나 인터럽트에 의해 발생

           - 컴퓨터는 많은 프로그램을 동시에 실행하는 것처럼 보이지만 어떠한 시점에서 실행되고 있는

             프로세스는 단 한개이며, 많은 프로세스가 동시에 구동되는 것처럼 보이는 것은 다른 프로세스와의

             컨텍스트 스위칭이 아주 빠른 속도로 실행되기 때문

           - 현대 컴퓨터는 멀티코어의 CPU 를 가지기 때문에 한 시점에 한 개의 프로그램이라는 설명은 틀리지만

             컨텍스트 스위칭을 서명할 때는 싱글 코어를 기준으로 설명함

           - 아래 그림처럼 한개의 프로스세 A 가 실행하다 멈추고, 프로레스 A 의 PCB 를 저장하고 다시

             프로세스 B 를 로드하여 실행 그리고 다시 프로세스 B 의 PCB 를 저장하고 프로세시 A 의 PCB 를 로드

           - 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 위 그림처럼 유휴 시간(idle time) 이 발생하는 것을 볼수 있고

             이 컨텍스트 스위칭에 드는 비용이 더 있는데 바로 캐시미스 이다

 

           A) 비용 : 캐시미스

                - 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 프로세스가 가지고 있는 메모리 주소가 그대로 있으면 잘못된

                  주소 변환이 생기므로 캐시클리어 과정을 겪게 되고 이 때문에 캐시미스가 발생

 

           B) 스레드에서의 컨텍스트 스위칭

                - 컨텍스트 스위칭은 스레드에서도 일어나는데 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에

                  비용이 더 적고 시간도 더 적게 걸림

 

  3) 멀티 프로세싱

       - 여러개의 프로세스 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것

       - 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 잇으며 특정 프로세스의 메모리 프로세스 중 일부에 문제가

         발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있다

 

     (1) 웹 브라우저

           - 멀티프로세스 구조를 가지고 있으며 다음과 같다

             * 브라우저 프로세스 : 주소표시줄, 북마크 막대, 뒤로가기 버튼, 앞으로가기 버튼 등을 담당하며

                                                네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한 담당

             * 랜더러 프로세스 : 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어

             * 플러그인 프로세스 : 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어

             * GPU 프로세스 : GPU 를 이용해 화명르 그리는 부분을 제어

 

     (2) IPC (Inter Process Communication)

           - 멀티프로세스는 IPC 가 가능하고 IPC 는 프로세스끼리 데이터를 주고 받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘이다

           - 예) 클라이언트와 서버, 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것

           - 공유메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 종류로 있는데 메모리가 완전히 공유되는

             스레드보다는 속도가 떨어짐

 

           A) 공유 메모리 (shared memory)

                - 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근구너한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록

                  공유메모리를 생성해 통신하는 것

                - 기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없지만 공유메모리를 통해

                  여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다

                - IPC 방식 중 어떠한 매개체제를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에

                  불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르고 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가

                  공유하기 때문에 동기화 필요

                - 하드웨어 관점에서 공유메모리는 CPU 가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM 을 가리키기도 함

 

           B) 파일

                - 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말하는데 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 함

 

           C) 소켓

                - 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는

                  데이터를 의미하며 TCP 와 UDP 가 있다

 

           D) 익명 파이프 (unamed pipe)

                - 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고 받으며

                  단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식

                - 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있고 다른 네트워크 상에서는 사용이 불가능

 

           E) 명명된 파이프 (named pipe)

                - 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프

                - 클라이언트 / 서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용 가능

                - 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신 가능

                - 아래 그림처럼 보통 서버용 파이프와 클라이언트용 파이프로 구분해서 작동하며 하나의 인스턴스를

                  열거나 여러개의 인스턴스를 기반으로 통신

 

           F) 메시지 큐 

                - 메시지를 큐(queue) 데이터 구조 형태로 관리하는 것

                - 커널의 전역 변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPc 방식에 비해 사용방법이

                  매우 직관적이고 간단

                - 다른 코드의 수정 업이 단지 몇줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있다

                - 공유 메모리를 통해 IPC 를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이

                  매우 복잡해 지는데 이때 대안으로 메시지 큐를 사용 하기도 함

 

  4) 교착 상태 (deadlock)

       - 두개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

       - 예) 프로세스 A 가 프로세스 B 의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B 도 프로세스 A 가 점유하고 있는 자원을 요청

     (1) 교착 상태의 원인

           - 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가

           - 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태

           - 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다

           - 환형 대기 : 프로세스 A 는 프로세스 B 의 자원을 요구하고, 프로세스 B 는 프로세스 A 의 자원을

                               요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

 

     (2) 교착 상태의 해결 방법

           - 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계

           - 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해

             자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘 사용

           - 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한개씩 지운다

           - 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발상하면

             사용자가 작업을 종료

           - 현대 운영체제는 위와 같은 방법을 채택했다 예를 들어 응답없음 이라고 뜰때가 있는데 교착 상태가

             발생한 경우 나오기도 함

           * 은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고

                                          안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘