Seunghan Lee

Seunghan Lee

Deep Learning, Data Science, Statistics

(참고: Fastcampus 강의, 강민철의 인공지능 시대 필수 컴퓨터 공학 지식)

2. 프로세스와 스레드

Contents

  1. 커널 영역과 사용자 영역의 프로세스
  2. 문맥 교환
  3. 사용자 영역
  4. 프로세스 생성과 상태
  5. 스레드
  6. 멀티 프로세스 & 멀티 스레드


(1) 커널 영역과 사용자 영역의 프로세스

프로세스 = “실행 중인” 프로그램

  • 참고) 같은 프로그램도, 별도의 프로세스가 될 수 있다!


a) 명령어

ps -ef

ps -ef는 리눅스/유닉스에서 프로세스 정보를 확인할 때 자주 사용하는 명령어

  • ps : 현재 실행 중인 프로세스(process status)를 보여주는 명령어

  • -e : 모든 사용자(all users)의 모든 프로세스를 보여줘

    (== -A와 같음)

  • -f : full format 출력, 즉 자세한 정보를 보여줘

UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root         1     0  0 Apr28 ?        00:00:04 /sbin/init
user      2480  2345  0 10:12 pts/0    00:00:00 bash
user      2533  2480  0 10:13 pts/0    00:00:00 ps -ef


컬럼 약어 뜻 (설명) Full Name
UID 프로세스를 실행한 사용자 이름 User ID
PID 프로세스 ID Process ID
PPID 부모 프로세스의 ID Parent Process ID
C CPU 사용률 (최근 CPU 사용량) CPU Usage
STIME 프로세스 시작 시간 Start Time
TTY 프로세스가 연결된 터미널 Teletype Terminal
TIME 누적 CPU 사용 시간 CPU Time
CMD 실행된 명령어 전체 Command


b) Foreground 프로세스 vs. Background 프로세스

프로그래머가 명령어 입력 후 …

  • 기다리며 결과를 확인하려면 프로그라운드,
  • 백그라운드에서 돌아가게 하고 싶으면 & 붙여서 백그라운드 프로세스로 실행
구분 프로그라운드 프로세스 (Foreground Process) 백그라운드 프로세스 (Background Process)
실행 방식 사용자가 직접 터미널에서 실행 터미널과 분리되어 백그라운드에서 실행
터미널 점유 터미널을 점유하고 입력을 기다림 터미널을 점유하지 않음
종료 방식 사용자가 명시적으로 종료하거나 자동 종료 자동 실행되거나 명시적 종료 필요
실행 예시 python script.py python script.py &
제어 가능성 입력/출력 제어 가능 직접적인 제어 어려움 (제어하려면 jobs, fg, bg 등 사용)


c) 프로세스 제어 블록, Process Control Block (PCB)

figure2

figure2

PCB란?

  • 프로세스의 ‘신분증 + 현재 상태 + 자원 정보’를 담은 핵심 데이터 구조
  • 운영체제는 PCB를 통해서 프로세스를 관리/전환 함


PCB의 주요 항목들:

항목 설명
PID / PPID PID는 프로세스 고유 ID, PPID는 부모 프로세스의 ID야
레지스터 프로세스 실행 중 사용하던 CPU 레지스터 값들을 저장 (예: PC, SP 등)
스케줄링 정보 우선순위, 상태, 스케줄 큐 위치 등 CPU 스케줄러가 사용하는 정보
메모리 정보 코드, 데이터, 힙, 스택 등 프로세스가 사용하는 메모리 영역 정보를 담고 있음
사용한 파일 정보 열려 있는 파일의 리스트 (파일 디스크립터 등)를 포함
입출력장치 정보 어떤 입출력 장치(예: 키보드, 프린터)를 사용하는지, 버퍼 상태 등


예시)

PID가 3254라는 문자열을 포함하는 프로세스를 찾기 위해 사용하는 명령어

ps aux | grep 3254

각 옵션의 의미:

옵션 의미
a 다른 사용자의 프로세스도 포함
u 사용자 중심의 포맷으로 (UID, CPU, MEM 등 포함)
x 터미널과 연결되지 않은 백그라운드 프로세스도 포함


PID가 정확히 3254인 프로세스를 찾고 싶다면:

ps -p 3254


프로세스 실행이 종료되면, PCB는 폐기됨!


(2) 문맥 교환

a) 문맥교환 (Context Switch)

  • 운영체제가 현재 실행 중인 프로세스(또는 스레드)를 중단하고, 다른 프로세스로 전환하는 과정

figure2

figure2


b) 문맥 교환 과정

  • CPU가 한 번에 하나의 작업(프로세스)만 처리할 수 있으니까, 여러 작업을 빠르게 번갈아가며 처리해야함
  • 이때 작업을 바꿀 때마다 “이전 작업의 상태를 저장하고, 다음 작업의 상태를 복원” 해야함

\(\rightarrow\) 이 과정 전체가 문맥(context)을 교환하는 것!


교환되는 정보?

  • 운영체제는 이전 작업의 상태를 PCB에 저장하고, 새 작업의 PCB에서 정보를 불러옴
저장/복원되는 정보 예시
레지스터 값 일반 레지스터, 스택 포인터, 프로그램 카운터 등
메모리 매핑 정보 어떤 메모리 영역을 사용하는지
프로세스 상태 준비, 실행, 대기 중 등
CPU 상태 인터럽트 마스크, 플래그 등


c) 예시

  1. 사용자 A의 워드 프로세서 실행 중
  2. 알람 앱이 울려야 해서, OS가 워드 프로세서 중단
  3. OS는 워드 프로세서의 상태를 저장 (PCB)
  4. OS는 알람 앱의 상태를 불러와 실행
  5. 알람 끝나면, 다시 워드 프로세서의 상태를 복원


d) 참고 사항

문맥교환은 시간과 자원을 소모한다!

( \(\because\) 저장/복원 작업이 메모리와 CPU 레벨에서 꽤 복잡 )

\(\rightarrow\) OS는 불필요한 문맥교환을 줄이도록 설계되어 있음!


(3) 사용자 영역

  • 코드 영역 (텍스트 영역)
    • 실행 가능한 코드
    • 기계어로 이루어진 명령어
    • Read-only
  • 데이터 영역
    • 프로그램이 실행되는 동안 유지되는 데이터 (e.g., 전역 변수)
  • 힙 영역
    • 사용자(개발자)가 직접 할당 가능한 공간
    • 메모리 영역을 할당했따면, 해제하자!
      • 직접 해제하기, 자동으로 해제하기 (Garbage collection)
  • 스택 영역
    • 임시로 저장되는 영역 (e.g., 매개 변수, 지역 변수)


힙 vs. 스택

  • 힙: 낮은 주소에서 높은 주소로 할당
  • 스택: 높은 주소에서 낮은 주소로 할당

\(\rightarrow\) for 주소 중복 방지


(4) 프로세스 생성과 상태

a) 대표적인 프로세스 상태

  1. 생성 (new)
  2. 준비 (ready)
  3. 실행 (running)
  4. 대기 (blocked)
  5. 종료 (terminated)


figure2


확인하는 방법?

top

  PID USER     PR  NI    VIRT    RES    SHR S  %CPU %MEM     TIME+ COMMAND
 3254 alice    20   0  164728   9268   7852 R  12.5  0.3   0:01.23 python
 3255 alice    20   0   45632   3020   2556 S   0.0  0.1   0:00.01 bash


위의 S (STATE) 또는 STAT 열에 나타남

상태 코드 의미 설명
R Running 현재 CPU에서 실행 중 (running or ready)
S Sleeping (Interruptible) 대기 상태 (입출력 등 이벤트 기다리는 중)
D Sleeping (Uninterruptible) 강제로 깨울 수 없는 대기 (디스크 IO 등)
T Stopped 일시 중지됨 (예: Ctrl+Z)
Z Zombie 자식 프로세스 종료 후 부모가 수거하지 않음
I Idle kernel thread이며 유휴 상태 (Linux 5.10+ 기준)


b) 프로세스의 계층적 구조

figure2


(5) 스레드

(소프트웨어의) 스레드란?

\(\rightarrow\) 프로세스를 구성한 실행 흐름의 단위

figure2


a) 프로세스 vs. 스레드

3개의 프로세스 vs. 1개의 프로세스 내의 3개의 스레드

figure2


주된 차이점? 자원 공유의 여부

  • 프로세스 간에는 (기본적으로) 자원 공유 X
  • 스레드 간에는 자원 공유 O

figure2

figure2


앞서 말했듯, “기본적으로는” 공유하지 않지만,

프로세스 간에도 자원 공유는 가능하다!

\(\rightarrow\) IPC (Inter-Process Communication), 프로세스 간 통신


b) IPC (Inter-Process Communication)

  • “공유 메모리”를 통한 통신
  • “파이프”를 통한 통신
  • “네트워크 소켓”를 통한 통신

figure2


(6) 멀티 프로세스 & 멀티 스레드

항목 멀티 프로세스 멀티 스레드
정의 여러 개의 독립된 프로세스가 동시에 실행 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드가 실행
메모리 공간 각 프로세스는 독립된 메모리 공간을 가짐 메모리 공간(코드, 데이터 등)을 공유
통신 방식 느린 IPC (예: 파이프, 소켓 등) 필요 빠른 공유 메모리 사용 가능
안정성 하나가 죽어도 다른 프로세스에는 영향 없음 하나의 스레드 오류가 전체 프로세스에 영향 줄 수 있음
생성 비용 상대적으로 큼 상대적으로 작음
예시 웹 브라우저의 탭별 독립 실행 게임에서 동시에 실행되는 물리엔진, 렌더링, 사운드 스레드

요약

  • 멀티 프로세스의 focus: 독립성, 안정성
  • 멀티 스레드의 focus: 자원 공유, 속도

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