스미스요원

프로세스 개념

• 컴퓨터 프로그램이 메모리 상에서 실행중인 작업

    ◦  디스크에서 하나의 프로그램을 가져와 커널에 등록하면 프로세스가 된다.

• 각 프로세스는 아래와 같은 메모리 영역을 할당받는다

    ◦  텍스트(코드) 영역 : 컴파일된 실행 코드가 저장되는 영역

    ◦  데이터 영역 : 전역 변수 및 초기화된 데이터가 저장되는 영역

    ◦  힙 영역 : 프로그램 실행 중에 동적으로 할당되는 데이터가 저장되는 영역

    ◦  스택 영역 : 임시 데이터(매개변수, 복귀 주소, 지역 변수 등)가 저장되는 영역

프로세스 상태

• New : 프로세스가 생성되는 중이다.

• Running : CPU에서 프로세스가 수행되고 있다.

• Waiting : 프로세스가 이벤트가 일어나기를 기다리고 있다.

    ◦  Ready 와 달리 입출력 완료 또는 신호의 수신을 기다리는 것

• Ready : 프로세스가 CPU에 할당되기를 기다리고 있다.

    ◦  다른 프로세스가 수행되고 있기 때문에, 실행 준비가 다 된 상태에서 본인 차례가 오기를 기다리는 상태

• Terminated : 프로세스의 실행이 종료되었다.

• Suspended : 메모리를 강제로 뺏긴 상태. 특정한 이유로 프로세스의 수행이 정지된 상태를 의미한다.
                          외부에서 다시 재개시키지 않는 이상 다시 활성화 될 수 없다.

    ◦  중기 스케줄러에 의해 디스크로 스왑 아웃된 프로세스가 대표적인 suspendended 상태

          -  suspended ready : 준비 상태에 있던 프로세스가 디스크로 스왑아웃

          -  suspended blocked : 봉쇄 상태에 있던 프로세스가 디스크로 스왑아웃

    ◦  blocked 와 suspended의 차이 

          -  blocked : 잠시 중지되어 있다가(blocked) 끝나면 다시 ready 상태로 돌아옴

          -  suspended : 잠시 중지되어 있다가(suspended) 누군가가 재개시켜줘야 다시 ready 상태로 돌아옴

프로세스 제어 블록(PCB)

• 프로세스 관리에 필요한 정보를 포함하는 운영체제 커널의 자료구조

    ◦  프로세스가 생성될 때마다 고유의 PCB가 생성되고, 프로세스가 완료되면 PCB는 제거된다.

• 프로세스 제어 블록이 포함하는 정보

    ◦  프로세스 상태

    ◦  프로세스 계정 정보

          -  CPU 사용 시간, 시간 제한, 프로세스 ID 등을 포함

    ◦  프로그램 카운터

          -  프로세스가 실행할 명령어의 주소

    ◦  CPU 레지스터 및 일반 레지스터

    ◦  CPU 스케줄링 정보

          -  프로세스 우선 순위, 스케줄 큐 포인터, 스케줄 매개변수 등

    ◦  메모리 관리 정보

          -  운영 체제에서 사용하는 메모리 관리 시스템에 대한 정보

          -  페이지 테이블, 세그먼트 테이블, 해당 프로세스의 주소 공간 등

    ◦  입출력 상태 정보

          -  프로세스에 할당된 입출력 장치 및 열린 파일 목록

    ◦  포인터

          -  부모 프로세스에 대한 포인터, 자식 프로세스에 대한 포인터, 프로세스가 위치한 메모리 주소에 대한 포인터,

             할당된 자원에 대한 포인터 정보 등

Context Switching

• 현 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고(state save) 새 프로세스의 PCB를 불러오는(state restore) 과정을 Context Switching

    이라 부른다.

    ◦  프로세스는 CPU 를 점유해 작업을 처리하다 상태가 전이되면 CPU 를 반환해야 하는데, 이때 진행하던 작업들을 저장해두지 않으면

         다음에 자신의 차례가 왔을 때 어떠한 작업을 수행해야하는지 알 수 없다. 따라서 프로세스는 CPU 가 처리하던 작업 내용을 자신의

         PCB 에 저장하고, 다음에 자신의 차례가 왔을 때 PCB 로 부터 해당 정보들을 CPU 에 전달해 작업을 재개할 수 있다.

    ◦  Context Switching이 이루어지는 동안 CPU는 다른 작업을 할 수 없다.

          -  즉 Context Switching에 소요되는 시간은 순수한 Overhead 이다.

참고자료

프로세스란 종단 시스템, 즉 어플리케이션 계층에서 실행되는 프로그램을 의미한다.

그럼 프로세스 간의 통신은 언제 일어날까?

먼저 통신 프로세스가 동일한 어플리케이션 계층에서 실행될 때 발생한다.

같은 계층 안에서 프로세스간에 이루어지는 통신은 어플리케이션 계층, 즉 종단 시스템의 운영체제에 따라 그 방식이 결정된다.

두번째로 서로 다른 어플리케이션 계층 간에도 프로세스 통신이 발생할 수 있다.

서로 다른 2개의 종단 시스템에서 프로세스는 컴퓨터 네트워크를 통해 메시지(message)를 교환하는 방식으로 통신한다.

송신 프로세스가 메시지를 만들어 네트워크로 보내면, 수신 프로세스는 메시지를 받아 다시 그에 대한 응답 메시지를 보내는 식이다.

네트워크 통신에서  프로세스 간 통신이라 하면, 주로 이렇게 서로 다른 어플리케이션 계층 간의 통신을 의미한다.

이번 포스팅에서는 네트워크 통신에서의 프로세스 간 통신에 대해 알아보자.

클라이언트 프로세스 & 서버 프로세스

이전 포스팅에서 클라이언트 - 서버 어플리케이션 구조에서는 클라이언트끼리 직접적으로 통신하는 것이 아니라, 서버가 클라이언트와

클라이언트 사이에서 중재자 역할을 하며, 클라이언트가 보낸 데이터를 다시 다른 클라이언트에게 전달해 준다는 내용을 살펴보았다.

이 때 클라이언트가 바로 클라이언트 프로세스를 의미하고, 서버가 서버 프로세스를 의미하며,

클라이언트와 서버 사이를 왔다갔다 하는 데이터가 바로 메시지를 의미한다고 이야기할 수 있다.

즉 클라이언트 브라우저 프로세스가 웹 서버 프로세스와 메시지를 교환하는 경우,

브라우저는 클라이언트 프로세스이고, 웹 서버는 서버 프로세스인 것이다.

P2P 구조에서 피어(peer) 역시 하나의 프로세스라고 할 수 있는데, 이 때 피어는 클라이언트 프로세스가 될 수도 있고,

동시에 서버 프로세스가 될 수도 있다. 

이런 경우 클라이언트 프로세스와 서버 프로세스는 다음과 같이 분리된 개념으로 보면 편하다.

• 클라이언트 프로세스 : 두 프로세스 간의 통신 세션에서 통신을 초기화하는 프로세스

                                      (다른 프로세스와 세션을 시직하기 위해 접속을 초기화 시킴)

• 서버 프로세스 : 세션을 시작하기 위해 접속을 기다리는 프로세스

웹 브라우저는 웹 서버와 접촉을 초기화한다.

따라서 브라우저 프로세스는 클라이언트 프로세스이고, 웹 서버 프로세스는 서버 프로세스이다.

P2P 파일 공유 어플리케이션에 피어 A, B 가 있다고 가정하자.

A 가 B 에게 특정 파일을 보낼 것을 요청하는 경우 A 는 클라이언트 프로세스, B 는 서버 프로세스이다.

반대로 B 가 A 에게 특정 파일을 보낼 것을 요청하는 경우 다시 B 가 클라이언트 프로세스, A 가 서버 프로세스가 된다.

쉽게 말해 요청을 보내는 쪽이 클라이언트, 요청을 받고 응답을 보내주는 쪽이 서버이다.

소켓 between 프로세스 & 컴퓨터 네트워크

대부분의 어플리케이션은 메시지를 주고 받는 두 통신 프로세스의 쌍으로 구성된다.

이 때 두 프로세스간의 메시지는 인터넷, 즉 네트워크를 통해 움직이며, 프로세스는 소켓(socket)을 통해 네트워크로 메시지를 보내거나 받는다.

쉽게 말해 프로세스는 집 이고 소켓은 출입구이며, 메시지는 출입구를 통해 집을 빠져 나간다고 볼 수 있다.

지난 포스팅에서 살펴본 OSI 7 계층을 떠올려 본다면,

소켓은 어플리케이션 계층과 트랜스포트 계층 간의 인터페이스 이며, API 라고 이야기할 수도 있다.

이 때 어플리케이션 개발자는 어플리케이션 계층에 대해서는 모든 통제권을 가지나, 트랜스포트 계층에 대해서는 그렇지 않다.

트랜스포트 계층에 대해 어플리케이션 개발자가 조작할 수 있는 것은 트랜스포트 프로토콜을 선택하는 것과,

최대 버퍼/세그먼트 크기 등의 매개변수를 설정하는 것 뿐이다.

어플리케이션은 개발자가 선택한 트랜스포트 프로토콜이 제공하는 전송 서비스를 사용하여 구성되는데,

이 트랜스포트 프로토콜에 대해서는 이후 포스팅에서 좀 더 자세히 알아보도록 하자.

프로세스 주소 : IP 주소와 포트 넘버

이전 포스팅에서 클라이언트-서버 구조를 다룰 때 고정 IP 주소의 개념을 간단하게 살펴본 적이 있었다.

프로세스간에 메시지를 주고 받기 위해서는 두가지 정보가 필요한데, 그 중 하나가 IP 주소이고,

나머지 하나는 IP 주소가 가리키는 목적지 호스트 안에서 통신에 참여하고 있는 프로세스의 식별자이다.

호스트 안에 여러개의 프로세스가 존재할 수 있기 때문에, 그 중 어떤 프로세스가 메시지를 보냈는지 알기 위해 식별자가 필요하고

포트 넘버(port number)가 바로 이 프로세스를 식별하는데 사용된다.

자주 사용되는 어플리케이션에는 보통 약속처럼 정해진 포트 넘버가 할당되는데,

예를 들어 웹 서버는 포트 넘버 80번으로 식별되고, SMTP 프로토콜을 사용하는 메일 서버는 포트 넘버 25번으로 식별된다.

인터넷 표준 프로토콜들이 이렇게 약속처럼 정해두고 사용하는 포트 번호 리스트는 여기에서 찾아볼 수 있다.

참고자료

운영체제란?

운영체제(operating system)란, 컴퓨터 하드웨어를 관리하는 소프트웨어이다.

운영체제는 컴퓨터 하드웨어를 관리할 뿐만 아니라, 컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 관리하고, 응용 프로그램과 하드웨어 간의 인터페이스로써 다른 응용 프로그램이 유용한 작업을 할 수 있는 환경을 제공해준다.

즉, 운영 체제는 사용자가 컴퓨터를 편리하고 효과적으로 사용할 수 있는 환경을 제공하는 시스템 소프트웨어라고 할 수 있다.

개발자는 운영체제를 왜 공부해야 할까? 기업에서는 왜 그렇게 운영체제 이론을 강조하면서 기술질문을 하는 것일까?

우선 내가 만든 프로그램, 혹은 내가 사용하는 프로그램이 컴퓨터에서 어떻게 수행되는지를 알아야 에러가 발생했을 때 빠르게 원인을 찾아
해결할 수 있고, 프로그램의 실행 속도나 메모리 성능을 지속적으로 개선하는 등 서비스를 확장해 나갈 수 있기 때문이다.

더불어 운영체제를 잘 이해하면 프로그램을 만들기 전에 개발 난이도, 비용, 성능 등을 예측할 수 있다.
이걸 사전에 파악하는 것은 한정된 시간과 비용으로 서비스를 개발해야 하는 기업 입장에서는 매우 중요할 것이다.

나 역시 처음 웹 개발 공부를 시작할 때에는 웹 개발에 운영체제 지식이 왜 필요해? 그건 임베디드 하는 애들한테나 중요한거 아니야?
라는 생각을 하곤 했지만... 웹 서비스를 배포하거나 서버 트래픽 관리, DB 쿼리 최적화 작업만 해도 수많은 프로세스 에러를 만나게 되면서
운영체제를 공부해야 한다고 주변에 외치고 다녔더랜다.

이러한 운영체제의 종류에는 Windows, Linux, UNIX, MS-DOS 등이 있으며 각각 장단점이 있으므로 사용하고자 하는 용도에 알맞게 선택하여 사용하는 것이 좋다.

프로세스 관리

운영체제의 역할 중 하나는 프로세스 관리 이며, 운영체제에서 작동하는 응용 프로그램을 관리하는 기능이다.

컴퓨터 CPU가 한번에 처리할 수 있는 양은 제한적이다. 따라서 여러 응용 프로그램이 동시에 CPU을 사용하려고 한다면 운영체제는 이를 적절히 배분해 줄 수 있어야 할 것이다. 즉 프로세스 관리는 프로세서(CPU)를 관리하는 것이라고 볼 수도 있다.

운영체제는 현재 CPU를 점유해야 할 프로세스를 결정하고, 실제로 CPU를 프로세스에 할당한 다음, 이 프로세스의 공유 자원 접근 및 통신 등을 관리한다. 이러한 작업을 우리는 스케줄링, 동기화, IPC 통신 이라고 부르는 것이다.
(각각이 어떤 작업을 의미하는지는 이후 포스팅에서 알아보자)

프로세스와 스레드

프로세스란, 특정 프로그램이 메모리 상에서 실행중인 작업 이다. 이 때 프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위를 스레드 라고 한다.

프로세스가 생성될 때, 기본적으로 하나의 스레드가 함께 생성된다. 즉 프로세스마다 최소 1개 이상의 스레드가 존재할 수 있다.

하나의 프로세스에는 Code, Data, Heap 이라는 세가지 메모리 영역이 존재한다.

• Code : 코드 자체, 프로그램 명령 등이 저장되는 영역

• Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등이 저장되는 영역

    -  초기화 된 데이터는 data 영역에 저장된다.

    -  초기화 되지 않은 데이터는 BSS(Block Started by Symbol) 영역에 저장된다.

• Heap : 동적 할당된 데이터(new, malloc 등)가 저장되는 영역

이 때 하나의 프로세스에 여러개의 스레드가 존재하는 경우, 각 스레드에는 별도의 Stack 영역이 독립적으로 주어지지만

Code, Data, Heap 영역은 소속된 프로세스의 것을 공유하여 사용한다.

• Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값 등이 저장되는 영역 (임시 메모리 영역)

즉 프로세스는 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용하는데 반해,

스레드는 프로세스 내부에서 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용한다는 점에서 공간/자원 사용 측면의 차이가 있다.

멀티 프로세스

멀티 프로세스란 여러개의 프로세스가 동시에 병렬적으로 처리되는 상황을 의미한다.

보통 하나의 컴퓨터에 여러개의 CPU를 장착해야 가능하다. 단일 코어 CPU는 한번에 하나의 프로세스만 처리할 수 있기 때문이다.

• 장점 : 안전성 (메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결해준다)

• 단점 : 프로세스가 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있기 때문에, 작업량이 많을수록 오버헤드가 발생할 수 있다.

              또한 Context Switching 으로 인한 성능 저하가 발생한다.

• Context Switching

    -  프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정

    -  프로세스는 동작 상태와 대기 상태를 반복한다. 동작 중인 프로세스가 대기 상태가 되면 해당 프로세스의 정보는 보관되어야 한다.
       이후 대기 상태에서 다시 동작 상태가 되면 보관중이던 정보는 다시 복원되어야 한다. 이 과정이 바로 Contect Switching 이다.

    -  프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당받아 사용하기 때문에, 캐시 메모리 초기화처럼 무거운 작업이 진행될 때 오버헤드가
       발생할 수 있다.

멀티 스레드

멀티 스레드란 하나의 프로세스에서 여러 스레드가 각각 별개의 작업을 하나씩 처리하는 것을 의미한다.

즉 멀티 스레드를 이용하면 하나의 프로세스만 가지고 여러 작업을 동시에 처리할 수 있다.

멀티 프로세스로 여러 작업을 동시에 처리하는 것 보다 하나의 프로세스에서 멀티 스레드로 여러 작업을 동시에 처리하면

메모리 공간과 시스템 자원 소모를 줄일 수 있다.

또한 하나의 프로세스에 속한 스레드들은 Code, Data, Heap 공간을 공유하기 때문에

별개의 Code, Data, Heap 공간을 사용하는 멀티 프로세스 방식 보다 통신 방법이 간단하고 속도 역시 빠르다.

• 장점 : 멀티 프로세스 방식 보다 시간, 자원 손실이 적으며 쓰레드끼리 전역 변수와 정적 변수를 공유할 수 있다.

• 단점 : 안전성의 문제가 발생할 수 있다. 메모리 공간을 공유하기 때문에, 하나의 스레드가 메모리를 훼손하면, 모든 스레드의 작동이
              불가능해진다. 이러한 문제는 Critical Section 에 동기화 기법을 적용하여 방지할 수 있다.

• Critical Section

    -  특정 데이터에 둘 이상의 쓰레드가 동시에 접근해서 연산을 실행하는 경우 문제가 발생할 수 있다.
       이러한 문제를 일으키는 코드 블록을 Critical Section 이라고 한다. 즉 한 순간에 하나의 쓰레드만 접근해야 하는 공유 리소스 영역
       (전역 변수 등)에 접근하는 코드 블록을 Critical Section 이라고 한다.

    -  동기화 기법을 이용하면 임계 영역에는 한번에 단 하나의 쓰레드만 접근하도록 제한할 수 있다.

• 동기화 기법의 종류

    -  크리티컬 섹션(Critical Section) 기반 동기화 (유저 모드 동기화)

    -  인터락 함수(Interlocked Family Of Function) 기반 동기화 (유저 모드 동기화)

    -  뮤텍스(Mutex) 기반 동기화 (커널 모드 동기화)

    -  세마포어(Semaphore) 기반 동기화 (커널 모드 동기화)

    -  이름있는 뮤텍스(Named Mutex) 기반 프로세스 동기화 (커널 모드 동기화)

    -  이벤트(Event) 기반 동기화 (커널 모드 동기화)

동기화 기법마다 사용해야 하는 경우가 특별하게 정해져 있는 것은 아니지만,
목적에 적합한 동기화 기법을 잘 선택해서 사용하면 간결하고 정확한 코드를 작성할 수 있다.

참고자료