투기장

03 Processes and Threads

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1. Process 개념

1.1 정의

Process는 실행 중인 프로그램(Program in execution)이다. 프로그램 실행은 반드시 순차적(sequential)으로 진행된다.

1.2 Process의 구성 요소

영역설명접근 방식
Text section프로그램 코드함수/전역/정적 변수의 주소로 접근
Data sectionStatic/Global 변수 저장주소로 접근
Heap section동적 할당(Dynamic allocation)을 위한 Free memory pool포인터 변수의 주소로 접근
Stack함수 호출 및 Context switch에 사용지역 변수의 Offset으로 접근

Stack의 역할:

  • 함수 호출 시: Parameter, Return address, Local variable 저장
  • Context switch 시: PC, Stack pointer 포함 Register 값 저장

2. Process State

Process는 실행되면서 상태(state)가 변한다.

상태설명
NewProcess가 생성되는 중
ReadyProcessor에 할당되기를 기다리는 상태
Running명령어가 실행되고 있는 상태
Waiting어떤 이벤트(I/O 완료 등)가 발생하기를 기다리는 상태
TerminatedProcess 실행이 완료된 상태

상태 전이:

  • New → Ready: admitted (시스템에 진입 허가)
  • Ready → Running: scheduler dispatch (CPU 할당)
  • Running → Ready: interrupt (선점, Time slice 만료 등)
  • Running → Waiting: I/O or event wait
  • Waiting → Ready: I/O or event completion
  • Running → Terminated: exit

3. PCB (Process Control Block)

OS Kernel 내부의 데이터 구조로, 각 Process를 표현한다 (Linux에서는 task_struct).

PCB에 포함되는 정보:

  • Process state: 현재 상태 (New, Ready, Running, Waiting, Terminated)
  • Program counter: 다음 실행할 명령어의 주소
  • CPU registers: 현재 레지스터 값들
  • CPU scheduling information: 우선순위, 스케줄링 큐 포인터 등
  • Memory-management information: 할당된 메모리 정보
  • Accounting information: CPU 사용 시간, 경과 시간 등
  • I/O status information: 할당된 I/O 장치, 열린 파일 목록 등

4. Context Switch

CPU가 다른 Process로 전환할 때:

  1. 현재 Process의 상태를 PCB에 저장(Store): Registers → PCB
  2. 새 Process의 PCB에서 상태를 복원(Restore): PCB → Registers

특징:

  • Context switch time은 순수한 오버헤드(overhead) - 전환하는 동안 유용한 작업이 수행되지 않는다
  • 주로 메모리 연산으로 구성되어 느리다
  • 하드웨어 지원에 크게 의존 (Intel CPU는 HW 기반 Context switching 지원)
  • Context switch 후 Cache flush가 발생하여 연속적인 Cache miss가 일어난다

5. Process Scheduling

5.1 Scheduling Queue

Queue설명
Job Queue시스템에 있는 모든 Process의 집합
Ready QueueMain memory에 올라와 있고, 실행 준비가 된 Process의 집합
Device Queue특정 I/O 장치를 기다리는 Process의 집합

Process는 이 Queue들 사이를 이동(migration)한다.

5.2 Process Scheduling 흐름

Process가 CPU를 받아 실행되다가 다음과 같은 이유로 Ready queue나 다른 Queue로 이동한다:

  • I/O request - I/O queue에서 대기
  • Time slice expired - Ready queue로 복귀
  • Fork a child - Child가 실행
  • Wait for an interrupt - Interrupt 발생 시 복귀

5.3 Scheduler 종류

Scheduler실행 빈도역할
Long-term scheduler (Job scheduler)매우 드물게 (초-분 단위)어떤 Process를 Ready queue에 넣을지 선택. Degree of multiprogramming 제어
Short-term scheduler (CPU scheduler)매우 빈번 (밀리초 단위)다음에 CPU를 받을 Process를 선택하고 할당. 빨라야 한다
Medium-term scheduler필요 시Swapping으로 메모리 관리

5.4 Process 유형

유형특징
I/O-bound processI/O에 시간을 더 많이 소비. 짧은 CPU burst가 많음
CPU-bound process연산에 시간을 더 많이 소비. 길고 적은 CPU burst

Long-term scheduler는 I/O-bound와 CPU-bound의 적절한 조합(mix)을 선택해야 한다.

6. Process 생성 (Process Creation)

6.1 기본 개념

  • Parent process가 Children process를 생성하고, 이 Children이 다시 다른 Process를 생성 - Process tree 구조
  • PID(Process Identifier)로 각 Process를 식별

6.2 자원 공유 옵션

  • Parent와 Children이 모든 자원을 공유
  • Children이 Parent 자원의 일부(subset)를 공유
  • Parent와 Child가 자원을 공유하지 않음

6.3 실행 옵션

  • Parent와 Children이 동시에(concurrently) 실행
  • Parent가 Children이 종료될 때까지 대기

6.4 UNIX에서의 fork()와 exec()

  • fork() : 새로운 Process를 생성. Child process는 Parent의 Context(PC, 레지스터, 메모리 정보, 열린 파일 등)를 그대로 복사받는다
  • exec() : fork() 이후 호출하여 Process의 메모리 공간을 새 프로그램으로 교체

fork()의 반환 값:

  • Child process: 0을 반환
  • Parent process: Child의 PID를 반환
  • 실패 시: -1 (음수)
#include <stdio.h>
void main(int argc, char *argv[]) {
    int pid;
    pid = fork();
    if (pid < 0) {          /* error */
        fprintf(stderr, "Fork Failed\n");
        exit(-1);
    }
    else if (pid == 0) {    /* child process */
        execlp("/bin/ls", "ls", NULL);
    }
    else {                  /* parent process */
        wait(NULL);         /* child 종료 대기 */
        printf("Child Complete\n");
        exit(0);
    }
}

7. Process 종료 (Process Termination)

  • Process가 마지막 명령어를 실행하고 OS에 삭제를 요청 (exit())
  • Child → Parent로 wait()를 통해 데이터 전달 가능
  • OS가 Process의 자원을 회수(Deallocate)

Parent가 Child를 강제 종료하는 경우 (abort):

  • Child가 할당된 자원을 초과했을 때
  • Child에게 할당된 작업이 더 이상 필요 없을 때
  • Parent가 종료되는데 OS가 Child의 단독 실행을 허용하지 않을 때 - Cascading termination (연쇄 종료)

8. IPC (Interprocess Communication)

시스템 내 Process는 독립적(Independent)이거나 협력적(Cooperating)이다.

8.1 협력(Cooperating)의 이유

  • Information sharing: 정보 공유
  • Computation speedup: 연산 가속 (병렬 처리)
  • Modularity: 모듈화
  • Convenience: 편의성

8.2 IPC의 두 가지 모델

모델설명
Shared Memory프로세스들이 공유 메모리 영역을 통해 데이터 교환
Message Passing프로세스들이 send()/receive() 연산으로 메시지를 주고받음. 공유 변수 없이 통신

8.3 Producer-Consumer 모델

Shared memory 기반 협력 프로세스의 전형적인 패러다임:

  • Producer: 데이터를 생산하여 공유 메모리(Buffer)에 저장
  • Consumer: 공유 메모리의 데이터를 소비
Buffer 유형설명
Unbounded-bufferBuffer 크기에 실질적 제한 없음
Bounded-bufferBuffer 크기가 고정됨

8.4 Message Passing의 동기화

방식유형설명
Blocking sendSynchronous메시지가 수신될 때까지 Sender가 블록
Blocking receiveSynchronous메시지가 도착할 때까지 Receiver가 블록
Non-blocking sendAsynchronousSender가 메시지를 보내고 즉시 계속 진행
Non-blocking receiveAsynchronousReceiver가 유효한 메시지 또는 null을 받고 즉시 계속 진행

9. Thread

9.1 개념

Thread(Lightweight process)는 CPU 활용의 기본 단위이며, 다음으로 구성된다:

  • Program counter
  • Register set
  • Stack space

Thread가 공유하는 것 (같은 Process 내의 Peer thread와):

  • Code section
  • Data section
  • OS 자원 (열린 파일, Signal 등)

전통적인 Heavyweight process = 하나의 Thread를 가진 Task

9.2 Thread의 장점

장점설명
Responsiveness프로그램의 일부가 Block되어도 나머지가 계속 실행 가능
Resource Sharing여러 Thread가 같은 Address space 내에서 활동
EconomyProcess보다 Thread의 생성과 Context switch가 훨씬 경제적
Scalability각 Thread가 서로 다른 Processor에서 병렬 실행 가능

9.3 User Thread vs Kernel Thread

User ThreadKernel Thread
관리 주체User-level Thread libraryKernel
생성/관리 속도빠름느림
Blocking 시하나의 Thread가 Blocking system call을 하면 전체 Process가 Block (Single-threaded kernel의 경우)하나의 Thread가 Block되어도 같은 Process의 다른 Thread는 계속 실행
MP 환경Kernel이 Thread 존재를 모르므로 여러 Processor에 분배 불가Kernel이 Thread를 여러 Processor에 스케줄링 가능
예시POSIX Pthreads, Mach C-threads, Solaris threadsWindows, Solaris, Linux, Tru64 UNIX

10. Threading Issues

10.1 fork()와 exec()의 의미

Multi-threaded 프로그램에서 한 Thread가 fork()를 호출하면:

  • exec()을 바로 호출하는 경우: 모든 Thread를 복제할 필요 없음 - 새 프로그램이 Address space를 대체하므로
  • exec()을 호출하지 않는 경우: 모든 Thread가 복제됨

10.2 Thread Cancellation

방식설명문제점
Asynchronous cancellation대상 Thread를 즉시 종료자원 해제 문제, 공유 데이터 무결성 문제
Deferred cancellation대상 Thread가 주기적으로 종료 여부를 확인하여 스스로 정상 종료안전하지만 반응이 느림

10.3 Signal Handling

UNIX 시스템에서 Signal로 특정 이벤트 발생을 Process에 알린다.

Signal 전달 옵션:

  • 해당 Signal이 적용되는 Thread에만 전달
  • Process의 모든 Thread에 전달
  • 특정 Thread들에만 전달
  • 모든 Signal을 받을 전용 Thread를 지정

10.4 Thread Pool

  • 미리 일정 수의 Thread를 생성해 놓고, 요청이 오면 Pool에서 가져다 쓰는 방식
  • 빠른 서비스: Thread를 매번 새로 만들 필요 없음
  • Thread 수 제한: 동시 존재하는 Thread 수를 제한하여 시스템 자원 보호

10.5 Thread-Specific Data

  • 각 Thread가 특정 데이터의 자체 복사본을 가져야 하는 경우
  • 예: 트랜잭션 처리에서 각 Thread에 고유 식별자(TID) 부여

11. Multicore Programming

Multicore 시스템은 프로그래머에게 다음과 같은 도전 과제를 제시한다:

  • Dividing activities: 작업을 어떻게 나눌 것인가
  • Balance: 각 부분의 작업량을 균등하게 배분
  • Data splitting: 데이터를 어떻게 분할할 것인가
  • Data dependency: 데이터 의존성 관리
  • Testing and debugging: 병렬 프로그램의 테스트와 디버깅

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