250702

Process & Thread

• 프로세스: OS로부터 자원을 할당받아 실행중인 작업의 단위
  
• 스레드: 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위
  
  

모든 프로그램은 실행되기 위해 OS가 메모리 공간을 할당해줘야 한다.
이렇게 할당받아서 독립적인 메모리 공간을 갖는, 실행중인 프로그램이 바로 프로세스가 된다.

프로그램 -> 메모리에 올라감 -> CPU가 자원 할당 -> 실행: 프로세스

이때 여러 작업을 해야한다면 아래와 같은 생각을 해볼 수 있다.

• 프로세스를 통으로 하나만 쓰면? -> 멀티태스킹 불가능
  
• 하나의 프로그램을 여러 프로세스로 돌리면? -> 메모리 사용 증가, 할당받은 자원 중복
  

그래서 나온 방법이 하나의 프로세스를 여러 개의 실행 흐름으로 쪼개는 거다.
하나의 프로세스 안에서 여러 작업을 동시에 진행시킬 때, 각 작업 흐름을 스레드라고 하며, 이렇게 여러 스레드를 돌리는 방식이 바로 멀티 스레딩이다.

그럼 스레드는 어떻게 하나의 프로세스 안에서 동시 작업이 가능할까?

결론부터 말하면, 스레드끼리 프로세스의 자원을 공유하여 병렬로 작업하면서도 데이터를 함께 사용할 수 있기 때문이다.
이때 스레드는 프로세스의 4가지 메모리 영역 중 Code, Data, Heap을 공유하고, Stack은 별도로 할당받는다.

-> Stack은 함수 호출에 필요한 데이터를 저장하는 공간
-> 독립적인 Stack을 갖는다는 건 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것
-> 독립적인 함수 호출이 가능하다는 건 독립적인 실행 흐름을 가질 수 있다는 것!

Context Switching

CPU는 한 번에 하나의 프로세스만 실행할 수 있다.
따라서 CPU 활용율을 높이기 위해서는 여러 개의 프로세스를 번갈아가며 사용(동시성)하는 Context Switching이 필요하다.

실행 중인 프로세스 A 대기 -> 프로세스 A 상태 보관 -> 다음 프로세스 B의 이전 상태 복구 -> 프로세스 B 실행

이때 다음 프로세스는 스케줄러가 결정한다.
즉, 컨텍스트 스위칭의 주체는 스케줄러다.

그럼 전환 시 필요한 프로세스의 상태 정보는 어디에 저장될까? -> PCB(Process Control Block) !

• 프로세스의 상태 정보를 담는 자료구조
• 프로세스 생성 및 종료와 함께 PCB도 생성, 삭제됨
• 프로세스를 관리하기 위해 필요한 핵심 정보가 담겨 있으므로 커널 영역에 저장됨
• Linked List 방식으로 관리되어 삽입 삭제가 용이함

그럼 스레드의 컨텍스트 스위칭에 필요한 정보는? -> TCB(Thread Control Block) !

• PCB 내부에 들어있음
• 스레드의 생성 및 종료와 함께 생성, 삭제됨

Synchronization

멀티 프로세스, 혹은 멀티 스레드 환경은 자원을 공유(멀티 프로세스 환경의 경우 IPC 통신 등으로)하므로 race condition에 도달할 수 있다.
이때 둘 이상의 프로세스나 스레드가 동시에 접근하면 안되는 코드 영역이나 자원 사용 구간을 critical section이라고 한다. 임계 영역에는 반드시 하나의 흐름만 진입해야 한다.
즉, 동시성 프로그래밍의 가장 큰 숙제는 바로 ‘공유 자원 관리’다.

Synchronization은 여러 작업이 동시에 공유 자원에 접근할 때 충돌이나 일관성 문제를 막기 위한 기술로, 동기화 기법에는 크게 아래 두 가지가 있다.

(1) Mutex: 공유 자원이 한 프로세스, 스레드에 의해 소유될 수 있는 key를 기반으로 하는 상호배제 기법

딱 한 칸만 있는 화장실에 들어가려면 카운터에서 키를 받아가야만 한다!

• 이진 락(접근 가능 or 불가능)
• 동시 접근 불가(독점)
• 락을 건 주체만이 해제 가능함(소유권을 가지는 락의 개념)

-> 파일 쓰기, 전역 변수 접근과 같은 임계 구역 보호 등 단일 자원 보호에 적합

(2) Semaphore: 현재 공유 자원이 접근할 수 있는 프로세스, 스레드의 수를 나타내는 값을 기반으로 한 상호배제 기법

칸이 여러개인 화장실의 이용 현황 보드를 누구나 수정할 수 있으며, 보고 빈칸이 있으면 들어간다!

• 정수 카운터(n개 접근 가능)
• 동시 접근 가능
• 아무 스레드나 락 해제 가능(누구나 수정하는 카운터 개념)

-> 뮤텍스보다 일반화된 동기화로, 리소스 풀 제어 등 여러 스레드의 공유 자원 접근 제어에 적합