Process 와 Thread

운영체제의 개요

OS란 뭘까?
일단 프로그램은 ‘명령어의 집합’이라고 봐도 과언이 아닐것이다

폰 노이만 구조에서
프로그램의 각 명령어는
Fetch(가져오기) : PC(프로그램 카운터)에 저장된 메모리 주소에서 명령어를 가져온다
Decode(해독) : 가져온 명령어를 해독하여 실행할 작업을 결정
Execute(실행) : 해독된 작업(연산)을 수행한다
를 의미한다

이러한 ‘프로그램’을 쉽게 실행(다수도 동시에!)하게 하며,
프로그램 간의 메모리 공유를 가능하게 하며,
하드웨어와의 상호작용을 가능하게 하는 소프트웨어를 OS라 한다
=> 시스템을 사용하게 편하게 해준다

• 폰 노이만 구조
  

  입/출력 장치, 메모리(저장 장치), 처리 장치 (CPU) 로 구성된
  구조로 메모리에서 데이터를 읽어 처리 장치가 처리하는 구조를 가진다
  (메모리에 ‘프로그램’이 저장되어 있기에 ‘프로그램 내장식 구조’라는 표현으로도
  사용된다)
  

운영체제와 ‘가상화’

운영체제는 위에서 언급한 다양한 일을 수행하기 위해 ‘가상화’라는 기법을 사용한다

‘프로세서(CPU), 메모리(DRAM), 디스크(HDD or SSD)’ 와 같은 물리적인 자원을 이용해
일반적이고, 사용이 편리한 ‘가상’의 자원을 생성한다
(이러한 이유로 OS를 ‘가상머신’(Virtual machine) 이라고도 한다)

사용자 프로그램이 ‘프로그램 실행’, ‘메모리 할당’, ‘파일 접근’과 같은
‘가상 머신’과 관련된 기능을 OS에 요청할 수 있도록
OS는 사용자에게 API(Application Programming Interface)를 제공한다
(상호작용할 수 있도록 제공하는 일종의 인터페이스)

운영체제는 사용자 프로그램이 사용 가능한 ‘시스템 콜’을 제공한다
(‘실행’, ‘메모리 및 하드웨어 접근’ 등에 대한 시스템 콜을 제공하기에
‘표준 라이브러리’를 제공한다 표햔하기도 한다)

‘가상화’는 많은 프로그램들이 CPU를 공유하여, 동시에 실행될 수 있도록 하기에
운영체제를 ‘자원 관리자(resource manager)’라고도 부른다
(CPU, 메모리 및 디스크는 시스템의 자원이다)

이러한 자원을 효율적이고 공평하게 관리하는 것도 OS의 역할이다

• CPU 가상화
  

  동시에 많은 프로그램이 실행될 수 있도록 하는 일종의 ‘환상’이다
  (마치 여러 CPU가 존재하는 것처럼 다양한 프로그램이 동시에 실행)
  이를 위해 ‘도구’와 ‘정책’이 필요하다
  

• 메모리 가상화
  

  컴퓨터 하드웨어는 ‘물리적인 주소’(즉, 바이트의 배열)를 사용한다
  그렇기에 우리가 메모리에 접근하여 ‘읽거나 쓰려면’ 이러한 주소를 알아야 한다
  그렇지만 우리가 프로그램을 만들 때, ‘해당 프로그램’이 어느 위치에 존재할지를
  유념하고 코딩하지 않는다
  => 이것이 ‘메모리 가상화’이며, 각 프로세스는 자신만의 ‘가상 주소 공간’을 가진다
  이러한 가상 주소 공간을 관리하며, 서로 침범하지 못하게 하는 것도 OS의 역할이다
  

운영체제가 프로그램 시작을 위해 진행하는 것들

프로그램 시작을 위해…
즉, ‘프로세스’를 생성하기 위해 운영체제가 하는 행위들을 먼저 짚고 넘어가려 한다

1. 프로그램 코드와 정적 데이터(static data)를 메모리, 프로세스 의 주소 공간에 탑재
   
2. 스택(런타임 스택), 힙 영역 할당
   (tmi : main 함수의 인자인 argc, argv 를 사용하여 스택을 초기화 한다)
   
3. 입출력 초기화
   (tmi : 유닉스는 stdin, stdout, stderr 에 해당하는 파일 디스크립터를 가짐)
   
4. 이제, main()에서 (즉, 프로그램의 entry point)
   프로그램 실행을 시작한다

프로세스(Process)

OS 수준에서의 ‘프로그램’에 대한 추상화(By CSAPP)
‘실행 중인 프로그램’의 인스턴스라고도 표현된다

OS는 ‘여러 프로세스를 동시에’ 실행시키는 요구를 받고 있으며
(주로 사용자가 요청하며, 이것이 CPU 가상화를 요구한다)
그러한 요청을 만족하기 위하여
‘도구(Mechanism)’ 와 ‘정책(Policy)’가 필요하게 되었다
(도구는 ‘필요한 기능을 구현하는 방법’이며,
정책은 ‘결정을 내리는 방식’이다)

• 도구?
  

  거의 모든 OS가 채택하는 것은 ‘시분할(time sharing)’ 기법이다
  이를 통해 원하는 만큼의 프로세스를 동시에 실행할 수 있다
  ‘문맥 교환/전환 (Context switching)’ 을 통해, CPU가 현재
  프로세스에 대한 Context를 저장하고, 중지시킨 뒤 다른 프로세스의
  Context를 복구하고 중단된 곳부터 재실행 시키는 방식으로
  여러 프로세스를 동시에 실행하는 것처럼 보이게 한다
  

• 정책?
  

  어떠한 결정을 내리는 일종의 ‘알고리즘’이다
  ‘스케쥴링 정책’이라고도 한다
  

프로세스의 상태(State)

• 실행(Running) : 프로세스는 현재 프로세서(CPU)에 의해 실행 중
  (즉, 명령어 실행 중)
• 준비(Ready) : 실행할 준비는 되어 있으나, ‘대기’ 중이다
  (타 프로세스 실행 등으로 CPU가 현재 사용중이면 현재 프로세스는 대기한다)
  
• 대기(Blocked,Waiting State) : 현재 프로세스가 ‘어떠한 이벤트’를 기다리는 중
  (ex : I/O 인터럽트 및 파일 Open 등의 시스템 콜로 인하여 해당 작업이 끝나기를 기다림)
  실행과 준비 상태는 OS의 ‘스케쥴링 정책’에 따라
  전환될 수 있다
  

운영체제도 ‘프로그램’이기에 ‘준비 상태’의 프로세스들을 관리하기 위하여
‘프로세스 리스트’ 자료 구조를 사용한다

이러한 프로세스는 ‘레지스터 문맥’이라는 자료구조를 사용하고
프로세스가 중단될 때, 해당 프로세스의 ‘레지스터’의 값을 저장한다
프로세스가 다시 ‘실행’상태가 될 때, 운영체제는
이러한 ‘레지스터’의 값을 ‘복원’하여 프로세스를 실행 시점으로 재시작한다
(이것이 문맥 교환이다!)

쓰레드(Thread)

‘프로세스’의 실행 단위
프로세스의 자원을 공유하며, 독립적으로 실행된다
(쓰레드는 프로세스의 ‘실행 흐름’을 담당하고, 일반적으로 커널에서 관리됨)

(하드웨어의 쓰레드 : CPU 내부에 존재하는 CPU의 실행 흐름
하이퍼스레딩 기술은, 하나의 코어가 여러 개의 논리적 스레드를 처리할 수 있게 함
그렇기에 하나의 코어에 추가적인 레지스터가 들어가게 된다(ex : ALU))

‘멀티쓰레드’의 경우,
하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 수행할 수 있도록 함

멀티 쓰레드 프로세스의 경우
각 ‘쓰레드’ 당 ‘스택’ 영역을 가지게 된다

또한 프로세스의 상태는 PCB(Process Control Block)으로 관리되듯,
스레드의 상태는 TCB(Thread Control Block)으로 관리되며,
이를 통해 ‘문맥전환’이 이루어진다
(다만 쓰레드의 경우, 같은 프로세스 내에서 이루어지기에
같은 가상 주소 공간을 이용하며, 사용하는 ‘페이지 테이블’을 그대로 사용하기에
오버헤드가 적다)