Operating System 개념 정리

`Process와 Thread`

프로그램(Program)

어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일

프로세스(Process)

컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램
메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위

할당받는 시스템 자원의 예시 👉 CPU 시간, 운영되기 위한 메모리 주소 공간, Code, Data, Stack, Heap 구조의 독립된 메모리 영역

프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Heap, Stack의 구조)를 할당받는다. 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 메인 스레드를 가지고 있다 각 프로세스는 별도의 주소공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다. 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야한다.(파이프, 파일, 소켓을 이용한 통신 방법)

스레드(Thread)

프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
프로세스의 특정한 수행 경로
프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

스레드는 프로세스 내에서 각각의 Stack만 따로 할당받고, Code, Data, Heap 영역은 프로세스와 공유한다. 스레드는 한 프로세스에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간)같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행되고 각 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 가지고 있다. 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드는 같은 힙공간을 공유하는 반면, 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 공유할 수 없다. 한 프로세스가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드도 그 변경결과를 즉시 볼 수 있다.(메모리를 공유하고 있기 때문)

`Multi Process와 Multi Thread`

멀티 프로세스

하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
장점 : 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면, 그 자식 프로세스만 종료되고 다른 프로세스에는 영향을 미치지 않는다.
단점
- Context Switching에서의 오버헤드 👉 Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 오버헤드가 발생한다. 👉 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받기 때문에, 프로세스 사이에 공유하는 메모리가 없어서 Context Switching이 발생하게 되면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
- 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신(IPC)
  
  MEMO Context Switching : CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는데, 이 작업을 Context Switching이라고 한다. 동작중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업이다.

멀티 스레드

하나의 응용프로그램을 여러개의 스레드로 구성하고, 각 스레드에서 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
장점
- 시스템 자원 소모 감소(자원의 효율성 증대) : 프로세스를 생성하여 자원을 할당받는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다(프로세스를 할당할 때, Code, Stack, Heap, Data라는 메모리를 할당 받아야 하는데, 스레드의 경우 Stack이외에는 프로세스의 자원을 공유하기 때문)
- 시스템 처리량 증가(처리 비용 감소) : 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고(공유자원), 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다. 스레드 간 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.
- 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간을 단축(메모리 공유)
단점
- 주의 깊은 설계가 필요하다.
- 디버깅이 까다롭다.
- 단일 프로세스 시스템의 경우, 효과를 기대하기 어렵다.
- 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다)
- 멀티 스레드의 경우, 자원 공유의 문제가 발생한다. (동기화 문제)
- 하나의 스레드에 문제가 발생하면, 전체 프로세스가 영향을 받는다.

멀티 프로그램 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?

프로그램을 여러개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것
1. 자원의 효율성 증대
- 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행하면, 프로세스를 생성하여 자원을 할당받는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
- 프로세스 간의 Context Switching시, 단순히 CPU 레지스터 교체뿐만 아니라 RAM과 CPU사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터도 초기화 되기 때문에 오버헤드가 크다.
- 스레드간의 통신이 용이하여 시스템 자원 소모가 줄어든다. 2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
- 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드간의 통신이 비용이 적게든다.
- 프로세스간의 전환 속도보다 스레드 전환 속도가 더 빠르다.(Context Switching)

주의할 점 : 동기화 문제 / 스레드 간 자원공유는 전역변수를 이용하므로 스레드간 충돌을 주의해야 한다

`Pipeline`

Fetch, Decode, Execute 순으로 파이프라인이 진행된다.
Fetch : 메모리로부터 Instruction을 가져온다.
Decode : Instruction을 담은 Register를 해석한다.
Execute : 각종 read, shift, ALU, write 등을 수행한다. 파이프 라인 : 각 CPU의 다른 부분을 사용하는 Fetch/Decode/Execute를 동시에 사용하기 위한 방법
Control Harzard : 프로그램 의존성에 의해 발생하게 되는데, 해당 명령어가 끝날 때가지 다음 명령어가 수행되지 못하는 것(원래 순차적으로 명령어의 단계가 끝나면 다음 명령어를 수행해야 하는데, 아예 한 단계가 끝날 때까지 수해오디지 못하는것 - 파이프라인적이지 못한것)
Data Harzard : 이전 명령어의 결과를 기반으로 다음 명령어가 수행되는 에러

`가비지 콜렉션`

동적 할당된 메모리 영역 가운데 더 이상 사용할 수 없게된 영역을 탐지하여 자동으로 해제하는 기법
장점 : 비 유효 메모리 접근 차단, 이중 해제 차단, 메모리 누수 차단
단점 : 메모리 해제 결정에 따른 비용
방법 : 포인터 추적 방식 👉 한 개 이상의 변수가 접근 가능한 메모리는 사용할 수있는 메모리로 간주, 아닌 경우는 해제 👉 Mark and Sweep : 각 메모리 할당 영역에 1비트 메모리를 남기고, mark단계에서 변수가 가르키는 메모리는 true라고 표시, sweep 단계에서 false인 부분은 모두 해제

`Call back 함수`

Callback

어떤 이벤트가 발생했을 때, 나에게 알려달라고 핸들러를 등록하는 작업
call을 하는 주체는 사용자가 아니라 OS이다.(주체권의 차이가 있음)
ex) < java script > : > a=[3,1,2]; function b(v1, v2){console.log(‘c’, v1, v2); return 0}; a.sort(b); console.log(a); b함수의 경우, 유저가 호출하는 것이 아니라 sort에 주입하여 필요에 따라 sort가 호출하는 함수임 - callback함수
일반적인 프로그래밍 방식에서는 개발자가 필요한 시점에 어떤 특정 기능을 호출하는 방식으로 프로그래밍이 진행되지만, 시스템 입장에서 필요한 타이밍에 맞춰 함수를 호출할 상황(특정 이벤트에서)이 종종 있다.
다른 함수의 매개변수로 호출될 함수를 사용하고, 특정 이벤트가 발생하고 나서 그 매개변수가 다시 호춠되어 수행되는 것

Callback Function

passed as an argument to another function, and (다른 함수의 인자로 이용되는 함수)
is invoked after some kind of event (어떤 이벤트에 의해 호출되어지는 함수)\

pm = function(a,b,callback) {
  callback(a+b,a-b);
}
pm(5,10,function(res1,res2){
  console.log(res1);
  console.log(res2);
})

이러한 코드가 있다고 하면, pm에 일단 함수를 지정해준다. pm은 밑에 function(res1,res2)이란 함수를 인자로 사용하였다. 여기서 function(res1,res2)는 이벤트라고 생각하면 된다.

콜백을 넘겨받는 함수는 이 콜백을 필요에 따라 즉시 실행할 수도 있고, 나중에 실행할 수도 있다(비동기적)

function getData(callbackFunc) {
	$.get('https://domain.com/products/1', function(response) {
		callbackFunc(response); // 서버에서 받은 데이터 response를 callbackFunc() 함수에 넘겨줌
	});
}

getData(function(tableData) {
	console.log(tableData); // $.get()의 response 값이 tableData에 전달됨
});

이러한 경우, getData 함수는 function(tableData)라는 함수를 매개변수로 던지고, get()함수를 실행하고 callbackFunc(response)를 통해 tableData에 response를 전달해준다.

`Deadlock - 교착상태`

개념 : 동일한 자원을 공유하고 있는 두 개 이상의 컴퓨터 프로그램들이 상대방이 자원에 접근하는 것을 방해함으로써, 두 프로그램 모두 기능이 중지되는 상황을 말한다.
멀티 프로그래밍 환경에서 한정된 자원을 사용하려고 서로 경쟁하는 상황! 👉 어떤 프로세스가 자원을 요청했을 때, 그 시각에 자원을 사용할 수 없으면 대기상태로 들어간다.
결국 위 사진 처럼 process1과 2가 대기 상태로 들어가면 교착 상태가 된다.

데드락 : 멀티 프로그래밍 환경에서 한정된 자원을 사용하려고 서로 경쟁하는 상황 어떤 프로세스가 자원을 요청하였을 때, 해당 자원을 사용할 수 없는 상황이 생기고 대기 상태에 들어가게 되는데 이때 대기 상태에 들어가게 된 프로세스들이 실행상태로 변경될 수 없을 때 데드락이 발생할 수 있다.

상호 배제(Mutual Exclusion) : 자원은 한번에 한 프로세스만이 사용할 수 있다.
점유 대기(Hold and Wait) : 하나의 자원을 점유하고 있으면서, 다른 프로세스에 할당되어 있는 자원을 점유하기 위해 대기하는 프로세스가 있다.
비선점 (No preemption) : 다른 프로세스에 할당된 자원은 사용이 끝날 때까지 강제로 빼앗을 수 없어야 한다. [Monitor공부할 때 뺏는 경우가 있었음. 작업의 우선순위가 정해져있었기 때문에 대기 큐로 들어갔음.]
순환대기(Circular Wait) : 프로세스의 집합에서 P0는 P1이, P1은 p2가 점유한 자원을, PN은 P0가 점유한 자원을 요구한다.

이 네 가지 경우를 피한다면, 교착 상태 즉 데드락을 피할 수 있다.

상호 배제 👉 여러 개의 프로세스가 공유 자원을 사용할 수 있도록 한다.
점유 대기 👉 프로세스가 실행되기 전 필요한 모든 자원을 모두 할당한다. (대기할 필요가 없어짐)
비선점 👉 자원을 점유하고 있는 가 다른 자원을 요구할 때, 점유하고 있는 자원은 반납하고 대기한다.
순환대기 👉 자원에 고유한 번호를 할당하고, 번호 순서대로 자원을 요구하도록 한다.

`참고자료`

신입 개발자 면접용 컴퓨터공학 기본지식 : Patrasche
프로세스와 스레드의 차이 : gmlwjd9405
Callback에 대해서 : guxlabview 자바스크립트 비동기 처리와 콜백함수 : joshua1988

Joohee Kwon

Victoria's Development Blog