[OS]프로세스와 스레드(2)

📌프로세스와 스레드

프로세스

프로세스란 컴퓨터에서 실행 중인 프로그램이다. 각각의 프로세스는 각각 별도의 주소 공간을 할당 받는다. 

스레드

스레드는 프로세스 내 작업의 흐름으로 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 각 프로세는 여러 스레드를 가질 수 있다. 또한 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 공유하고, 그 외의 영역은 각각 생성된다.

 

*동적 영역
-스택: 지역 변수, 매개변수, 리턴 값
-힙: 동적 할당 시에 사용

*정적 영역
-데이터: 전역 변수, 정적 변수, 배열 등
-코드: 코드 자체를 구성하는 메모리 영역

 

스레드가 Stack 영역만 따로 할당 받는 이유?

- 스레드는 독립적인 동작을 수행하기 위해 존재한다.

- 즉, 독립적으로 함수를 호출할 수 있어야 한다.

- 때문에 함수의 매개 변수, 지역 변수 등을 저장하는 스택 메모리 영역은 독립적으로 할당 받아야 한다.

 

 

📌멀티프로세싱과 멀티스레딩

멀티프로세스

멀티프로세스란 하나의 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 병렬적으로 작업을 수행하는 것을 말한다.

-장점: 안정성(메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결한다.)

-단점: 각각 독립된 메모리 영역을 가지고 있어, 작업량이 많을수록 오버헤드가 발생한다. Context Switching으로 인한 성능 저하가 발생할 수 있다.

 

멀티스레딩

멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다. 

- 장점: 독립적인 프로세스에 비해 공유 메모리만틈의 시간, 자원 손실이 감소하여 전역 변수와 정적 변수에 대한 자료를 공유할 수 있다.

단점: 안정성 문제. 하나의 스레드가 데이터 공간을 망가뜨리면 공유 메모리를 가지기 때문에 모든 스레드가 작동 불능 상태에 빠진다.

 

📌요약

• 프로세스는 실행 중인 프로그램을 말하며, 스레드는 프로세스 내 작업의 흐름을 말한다.
• 멀티프로세스란 여러 개의 프로세스를 이용하여 작업을 병렬적으로 처리하는 것을 말하며, 멀티스레딩은 여러 개의 스레드를 이용하여 작업을 처리하는 것을 말한다.
• 멀티프로세스는 데이터, 코드, 힙, 스택 영역 등을 공유하지 않기 때문에 안정성이 높다. 하지만 성능 저하가 발생할 수 있다.
• 멀티 스레드는 스택 영역은 공유하며, 공유 메모리만큼의 시간과 비용을 줄일 수 있다. 하지만 공유 메모리로 인해서 하나의 스레드가 데이터 공간을 망가뜨림녀 모든 스레드가 작동 불능 상태에 빠진다.

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📌공유 자원과 임계 영역

공유 자원

공유 자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원을 말한다. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상황(race condition)이라고 한다.

 

임계 영역

임계 영역은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다. 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 1) 뮤텍스, 2) 세마포어, 3) 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법은 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이라는 조건을 만족한다. 

 

1) 뮤텍스

뮤텍스는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체로, 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대이다. 또한 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제하는 상태만을 가진다.

 

2) 세마포어

세마포어는 일반화된 뮤텍스로 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait 및 signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다. 프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다. 세마포어에서는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다. - 바이너리 세마포어, 카운팅 세마포어 등

 

3) 모니터

모니터는 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대한 인터페이스만 제공한다.

 

📌교착 상태(데드락, deadlock)

교착 상태(deadlock)은 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

 

교착 상태의 원인

• 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가하다.
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태이다.
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
• 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.

 

교착 상태의 해결 방법

1. 자원을 할당할 때 애초에 조건일 성립되지 않도록 설계한다.

2. 교착 상태의 가능성이 없을 때에만 자원을 할당하며, 프로세스 당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 "은행원 알고리즘"을 사용한다.

3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.

4. 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다.

 

*Java에서 동시성 제어

Java에서는 synchronized 키워드를 사용하여 동시성 제어를 수행한다. synchronized는 여러 스레드가 동시에 공유 리소스(예: 객체, 메서드)에 접근할 때 발생할 수 있는 데이터 불일치 문제를 방지하기 위해 사용된다. 이를 통해 특정 코드 블록 또는 메서드를 동기화하여 한 번에 하나의 스레드만 접근하도록 보장한다.

synchronized (lockA) {
    synchronized (lockB) {
        // critical section
    }
}