Process & Thread

Feb 15, 2019

  • Program : 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일, 일반적으로 하드 디스크 등에 저장되어 있는 실행 코드

(1) Process

  • 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 프로그램
  • 프로그램을 구동하여 메모리에 적재되어 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
    • 이러한 이유로 프로세스를 작업(job) 혹은 task라고도 한다.
  • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
  • 동적인 개념으로는 실행 중인 프로그램이라고 할 수 있다.
    • 각 프로세스는 유일한 PID(Process IDentification, 프로세스 번호)를 갖는다.
    • 각 프로세스는 부모 프로세스에 의해 생성된다.
    • 부모 프로세스의 ID는 PPID(Parent Process IDentification)
  • 시스템 내의 프로세스는 크게 시스템 프로세스와 사용자 프로세스로 구분된다.
    • 시스템 프로세스 : 시스템 운영에 필요한 기능을 수행하는 프로세스 (ex. 어떤 서비스를 위해 부팅 과정에서 생성되는 데몬 프로세스)
    • 사용자 프로세스 : 사용자들이 명령 혹은 프로스램을 실행시켜 생성된 프로세스
  • 프로세스는 PID외에 사용자 ID(UID)와 그룹 ID를 갖는다.
    • 해당 프로세스를 실행시킨 UID와 사용자가 속한 그룹의 ID
    • 프로세스가 수행할 수 있는 연산을 결정하는데에 사용된다.
  • 할당받는 시스템 자원 : CPU 시간, 운영되기 위해 필요한 주소 공간, 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap 4가지로 구분되어 있다.)
  • Process Structure
  • 특징
    • 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당받는다.
    • 기본적으로 프로세스 당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 갖고 있다.
    • 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료 구조에 접근할 수 없다.
    • 한 프로세스가 다른 프로세스에 접근하기 위해서는 프로세스 간 통신(IPC, Inter-Process Communication)을 사용해야 한다.
      • ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용
  • Multi Processing : 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(task)을 처리하도록 하는 것
    • 장점 : 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 다른 프로세스에 영향을 미치지 않는다.
    • 단점
      • Context Switching(문맥 교환) 과정에서 생기는 오버헤드
        • Context Switching(문맥 교환)
          • CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 과정
          • 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업
        • Cache Memory 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 된다.
        • 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, 문맥 교환이 발생하면 캐시에 있는 모든 데이터를 리셋하고 다시 캐시 정보를 불러와야 한다.
        • 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
        • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다.

(2) Thread

  • 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
  • 프로세스의 특정한 수행 경로
  • 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위
  • Thread Structure
  • 특징
    • 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack 메모리 영역만 따로 할당받고 Code, Data Heap 영역은 공유한다.
    • 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(스택 영역을 제외한 메모리)을 같은 프로세스 내의 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
    • 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있다. 힙은 같이 읽고 쓸 수 있다.
    • 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면 다른 스레드도 그 변경 결과를 즉시 알 수 있다.
  • Multi Threading
    • 하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
    • 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있다.
    • 대표적인 멀티 스레드 응용프로그램으로 웹 서버가 있다.
    • 장점
      • 시스템 자원 소모 감소 (자원의 효율성 증대) : 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 System Call이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
      • 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
        • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
        • 스레드 사이의 작업량이 작아 문맥 교환이 빠르다.
      • 스레드는 프로세스 내의 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신이 간단해 프로그램 응답 시간이 단축된다.
    • 단점
      • 주의 깊은 설계 필요
      • 까다로운 디버깅
      • 단일 프로세스 시스템에서는 효과를 기대할 수 없다.
      • 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다.
      • 자원 공유의 문제 (동기화)
      • 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스에 영향을 미친다.

* Thread in Java

  • 일반적인 스레드와 거의 차이는 없지만, JVM이 운영체제의 역할을 한다고 볼 수 있다.
  • 자바에서는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만이 존재하며, JVM에 의해 스케줄되는 실행 단위 코드 블럭이다.
  • JVM에 의해 관리되는 스레드 관련 정보
    • 스레드의 개수
    • 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치
    • 스레드의 상태
    • 스레드의 우선순위
  • 개발자의 역할은 작동할 스레드 코드를 작성하고, 스레드가 생명 주기를 갖고 실행을 시작하도록 JVM에 요청하는 것

* 프로그램과 프로세스의 차이

  • 프로그램이 실행되면 프로세스가 되는 것
  • 한 프로그램은 여러 번 실행될 수 있으므로 한 프로그램으로부터 여러 개의 프로세스를 만들 수 있으며 프로그램 그 자체가 프로세스는 아니다.

* 프로세스의 사용자 ID

  • 프로세스의 실제 사용자 ID (real user ID) : 해당 프로세스를 실행시킨 사용자의 ID로 설정
  • 프로세스의 유효 사용자 ID (effective user ID)
    • 현재 유효한 사용자 ID
    • 일반적으로 유효 사용자 ID와 실제 사용자 ID는 같다.
    • 새로 파일을 만들 때나 파일의 접근 권한을 검사할 때 주로 사용된다.
    • 특별한 실행 파일을 실행할 떄 유효 사용자 ID는 달라진다.

* set-user-id, set-group-id 실행 파일

  • set-user-id(set user ID upon execution) 실행 권한
    • set-user-id가 설정된 실행 파일을 실행하면 해당 프로세스의 유효 사용자 ID는 그 실행 파일의 소유자로 바뀐다.
    • 이 프로세스는 실행되는 동안 그 파일의 소유자 권한을 갖게 된다.
    • 실행 권한 설정 : $ chmod 4755 [file], $ chmod u+s [file]
    • 예)
      • $ ls -l /usr/bin/passwd
      • 패스워드를 변경하는 passwd 명령어는 소유자의 실행 권한이 x가 아닌 s로 표시되어 있다. 이는 set-user-id 실행 권한이 설정된 파일이라는 것을 의미하며 소유자는 root이므로, 일반 사용자가 쉘에서 이 명령어를 실행하게 되면 프로세스의 유효 사용자 ID는 root가 되어 일반 사용자는 이 프로세스에 한해서 root의 권한을 갖게 된다.
  • set-group-id(set group ID upon execution) 실행 권한
    • 실행되는 동안 해당 파일 소유자의 그룹을 프로세스의 유효 그룹 ID로 갖게 된다.
    • 실행 권한 설정 : $ chmod 2755 [file], $ chmod g+s [file]
    • 예) $ ls -l /usr/bin/wall

* 시그널과 프로세스

  • 시그널 : 예기치 않은 사건이 발생할 때 이를 알리는 소프트웨어 인터럽트
    • SIGFPE : 부동소수점 오류(ex. divided by zero) / 종료(코어 덤프)
    • SIGPWR : 정전, 전원 고장 / 종료
    • SIGALRM : 알람 울림 (alarm() 울릴 때 발생) / 종료
    • SIGCHLD : 자식 프로세스 종료 혹은 중지를 부모 프로세스에게 알리는 시그널 / 무시
    • SIGINT : 키보드로부터 종료 요청 (Ctrl-C) / 종료
    • SIGSTP : 키보드로부터 정지 요청 (Ctrl-Z) / 중지
    • SIGABRT : abort()에서 발생되는 종료 시그널 / 종료(코어 덤프)
    • SIGCONT : 중지된 프로세스를 계속 실행시키는 시그널 / 무시
    • SIGHUP : 연결 끊김 / 종료
    • SIGILL : 잘못된 하드웨어 명령 수행 / 종료(코어 덤프)
    • SIGIO : 비동기화 I/O 이벤트 알림 / 종료
    • SIGKILL : 잡을 수 없는 프로세스 종료시키는 시그널 / 종료
    • SIGPIPE : 파이프에 쓰려는데 리더가 없을 때, 끊어진 파이프 / 종료
    • SIGSEGV : 유효하지 않은 메모리 참조 / 종료(코어 덤프)
    • SIGSYS : 유효하지 않은 시스템 호출 / 종료(코어 덤프)
    • SIGTERM : 잡을 수 있는 프로세스 종료 시그널 / 종료
    • SIGTTIN : 후면 프로세스가 제어 터미널을 읽기 / 중지
    • SIGTTOU : 후면 프로세스가 제어 터미널에 쓰기 / 중지
    • SIGUSR1 : 사용자 정의 시그널 / 종료
    • SIGUSR2 : 사용자 정의 시그널 / 종료