프로세스

프로세스(Process)는 컴퓨터에서 실행되고 있는 프로그램(A program in execution)을 말한다. 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당 받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다.

디스크와 같은 보조기억 장치에 단순히 저장되어 있는 프로그램은 in execution이 아니기 때문에 프로세스가 아니다. 디스크에 실행파일 형태로 존재하던 프로그램이 메모리에 올라가서 실행되기 시작해야 비로소 생명력을 갖는 프로세스가 된다. 프로세스는 CPU를 획득해 자신의 코드를 수행하기도 하고 때로는 CPU를 반환하고 입출력 작업을 수행하기도 한다. CPU 스케줄링의 대상이 되는 작업(task)이라는 용어와 같은 의미로 쓰인다.


프로세스 제어블록(PCB)

프로세스 제어블록(Process Control Block, PCB)이란 운영체제가 시스템 내의 프로세스들을 관리하기 위해 프로세스마다 유지하는 정보들을 담는 커널 내의 자료구조이다. 테이블 형태의 구조이며 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다.

프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 한다. 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

운영체제가 프로세스를 관리 한다는 것은 해당 PCB에 대해 생성, 수정, 삭제 등의 행동을 취하는 것이라고 생각하면 된다. 프로세스 수가 많음을 감안할 때, PCB에 대한 작업은 매우 빈번한 일이기 때문에 PCB는 기본적으로 메모리에 저장시킨다.

PCB에 저장되는 정보

  • 프로세스 번호(Process Identification Number, PID): 프로세스의 고유한 식별 번호
  • 프로세스 상태(State): CPU 할당 여부 결정
  • 프로세스 우선순위: 스케줄링 시 사용
  • 프로그램 카운터(PC): 다음에 실행될 명령어의 주소 값
  • CPU 레지스터: CPU 연산 위해 현 시점에 레지스터에 저장하고 있는 값
  • CPU 스케줄링 정보: CPU 스케줄러에 의해 중단된 시간 등에 대한 정보
  • 메모리 포인터: 프로그램과 데이터가 저장 되어 있는 메모리 블록 위치, 공유 되는 메모리 블록들에 대한 포인터
  • 계정 정보: CPU를 사용한 시간, 실행한 유저 등의 정보
  • 입출력 정보: 진행 중인 입출력 요구 등의 정보


스레드

스레드(Thread)는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 하나의 프로세스에 속한 각각에 스레드들은 프로세스가 가지는 자원을 공유하고, 각자는 자신의 실행 환경(스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택)을 따로 가지게 된다.

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

왜 스택은 프로세스의 자원처럼 공유되지 않고 스레드마다 독립적으로 갖고 있는 것일까?

메모리의 스택 영역은 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역이다. 스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 완료되면 소멸된다.

스택 영역은 코드, 데이터, 힙 영역과 달리 독립적으로 존재하는데 이 말은 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.



PC Register를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타낸다. 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점 당하기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당해야 한다.


한 눈에 비교하는 프로세스 vs 스레드

프로세스 스레드
무거움 가벼움
리소스 집약적 프로세스보다 적은 리소스 사용
프로세스 전환은 운영체제와의 상호작용 필요 스레드 전환에 운영체제와의 상호 작용 필요 없음
각 프로세스가 고유한 메모리 & 파일 리소스 가짐 모든 스레드가 동일한 열린 파일 집합, 하위 프로세스 공유
한 프로세스가 차단되면 첫 번째 프로세스가 차단 해제될 때까지 다른 프로세스 실행 불가 하나의 스레드가 차단되고 대기하는 동안 동일한 프로세스의 두 번째 스레드 실행 가능
각 프로세스는 다른 프로세스와 독립적 다른 스레드의 데이터 읽기/쓰기/수정 가능



References