프로세스와 스레드
프로세스는 컴퓨터에서 실행 중인 하나의 프로그램을 의미한다.
프로그램은 특정 작업을 수행하기 위한 명령어의 집합이다.
OS는 프로그램을 실행하면서 디스크에 저장된 데이터를 메모리로 로드한다.
프로세스는 OS로부터 독립된 메모리 영역(코드, 데이터, 스택, 힙)을 할당받으며 다른 프로세스의 메모리 영역에 접근할 수 없다.
프로세스의 메모리 영역 구조를 간단히 표현하면 다음과 같다.
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스택(stack)
지역 변수, 함수의 매개변수, 반환되는 주소 값 등이 저장되는 영역이다.
높은 주소 값에서 낮은 주소 값으로 메모리가 할당되며 영역 크기는 컴파일 때 결정된다.
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힙(heap)
사용자에 의해 동적 메모리 할당이 일어나는 영역이다.
C 언어에서 malloc() 으로 할당되는 영역이라고 보면 된다.
낮은 주소 값에서 높은 주소 값으로 메모리가 할당되며, 영역 크기는 런타임 때 결정된다.
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데이터(data)
전역 변수, 정적 변수, 배열, 구조체 등이 저장되는 영역이다.
데이터 영역은 세부적으로 BBS(Block Stated Symbol) 영역과 데이터 영역으로 다시 나눌 수 있다.
BSS 영역은 초기화하지 않은 변수를, 데이터 영역은 초기화한 변수를 저장한다.
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코드(code)
실행할 코드가 기계어로 컴파일되어 저장되는 영역으로 텍스트(text)영역이라고도 한다.
여기서 스택 영역과 힙 영역은 동적으로 메모리 할당이 가능해 두 영역 사이에 빈 메모리 공간이 존재한다.
스택 영역은 LIFO 방식으로 높은 주소 값에서 낮은 주소 값 순서로 사용한다.
힙 영역은 FIFO 방식으로 낮은 주소 값에서 높은 주소 값 순서로 사용한다.
스택 영역이 힙 영역을 침범하는 경우를 스택 오버플로(stack overflow)
힙 영역이 스택 영역을 침범하는 경우를 힙 오버플로(heap overflow)라고 한다.
stack이 높은 주소 → 낮은 주소, heap이 낮은 주소 → 높은 주소로 할당되는 이유
1. 메모리 공간의 효율적인 사용과 충돌 방지
Stack은 함수를 호출할 때마다 스택에 데이터를 추가하고 함수가 끝나면 그 위치에서 바로 데이터를 제거하는 구조이고 Heap은 동적 메모리 할당을 담당하며 필요에 따라 메모리를 할당하고 해제하는 구조이다.
중간에 빈 공간이 생길 수 있는 Heap의 동적 메모리 할당의 특성에 맞게 메모리 조작이 이루어진다.
메모리 공간을 두 개의 방향으로 할당하는 방식을 통해 두 영역이 서로 다른 방향으로 확장될 수 있도록 하여 메모리의 낭비를 줄이고 중간에 고정된 크기로 나누는 방식을 피하며 두 메모리 영역이 충돌하는 것을 방지한다.
2. 하드웨어와 운영체제 설계
전통적인 시스템 설계에서 Stack은 주로 함수 호출 시 생성되는 지역 변수와 함수 상태를 관리하기 때문에 매우 빠른 할당 및 해제가 요구된다.
반면, Heap은 동적 할당을 담당하며 상대적으로 복잡하고 느린 할당이 필요하다.
이런 점에서 Stack은 높은 주소에서 시작해 간단하고 빠르게 관리되는 구조를 유지하고 Heap은 넓은 영역을 활용할 수 있도록 설계되었다.
스레드는 프로세스에서 실제로 실행되는 흐름의 단위를 의미하며 프로세스는 한 개 이상의 스레드를 갖는다.
스레드는 프로세스 안에 존재하므로 프로세스의 메모리 공간을 이용하고 지역 변수를 저장하는 스택 영역을 할당받는다.
그리고 전역 변수를 저장하는 힙 영역은 다른 스레드와 공유한다.
프로세스와 스레드가 각각 공유하는 영역
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프로세스 간 : 메모리 영역을 공유하지 않으며, 공유하려면 IPC 기법을 사용해야 함.
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스레드 간 : 코드, 데이터, 힙 영역을 공유하고, 스택은 개별적으로 가짐.
스레드는 스레드를 관리하는 주체에 따라 사용자 레벨 스레드와 커널 레벨 스레드로 구분된다.
사용자 레벨 스레드는 사용자가 라이브러리를 이용해 생성 및 관리한다.
커널 레벨 스레드는 커널이 스레드를 생성 및 관리한다.
멀티 스레드 환경에서 사용자 레벨 스레드와 커널 레벨 스레드는 다음과 같이 3가지 관계를 맺을 수 있다.
다대일 모델
사용자 레벨 스레드 n개에 커널 레벨 스레드 1개가 매핑된다.
사용자 레벨에서 스레드를 관리하며 하나의 사용자 레벨 스레드에서 시스템 콜을 호출하면 나머지 사용자 레벨 스레드는 커널 레벨에 접근할 수 없으므로 멀티 코어의 병렬성을 이용할 수 없다.
일대일 모델
사용자 레벨 스레드 1개에 커널 레벨 스레드 1개가 매핑된다.
이 방식은 하나의 사용자 레벨 스레드에서 시스템 콜을 호출하면 다른 사용자 레벨 스레드가 모두 실행되지 않는 다대일 모델의 단점을 해결한다.
하지만 사용자 레벨 스레드 수만큼 커널 레벨 스레드가 생성되므로 성능 저하가 일어날 수 있다.
다대다 모델
사용자 레벨 스레드 n개에 커널 레벨 스레드 m개가 매핑된다.
이때 커널 레벨 스레드의 수(m)는 사용자 레벨 스레드의 수(n) 이하이다.
이 방식은 다대일 모델과 일대일 모델의 장점을 포함하지만 구현이 어렵다는 단점이 있다.
PCB
OS는 프로세스를 제어하기 위해 프로세스 정보를 저장하는데 이를 PCB(Process Control Block)라고 한다.
PCB는 프로세스의 현재 상태, 프로세스를 나타내는 고유의 PID(Process ID), 부모 프로세스의 PID, 자식 프로세스의 PID, 다음 실행할 명령어의 주소인 PC(Program Counter), 프로세스의 우선순위, 메모리 제한 등을 저장한다.
프로세스의 생성
새로운 프로세스는 기존 프로세스에서 fork() 함수를 호출해 생성한다.
fork() 함수에는 함수를 호출한 프로세스를 복사하는 기능이 있다.
이때 기존 프로세스를 부모 프로세스, 복사된 프로세스를 자식 프로세스라고 한다.
부모 프로세스에서 fork() 함수를 호출하면 부모 프로세스는 자식 프로세스의 PID 값을, 자식 프로세스는 0을 반환한다.
운영체제 시스템의 최상위 프로세스
부팅 과정에서 커널이 로드되고 하드웨어 초기화가 완료되면 커널은 init 프로세스를 실행시킨다.
이후 init은 여러 시스템 데몬 및 사용자 프로세스를 관리하고 이들이 필요할 경우 fork()를 호출하여 새로운 프로세스를 생성할 수 있게 한다.
Linux 시스템에서는 init 대신 systemd가 초기화 시스템으로 사용되는 경우가 많으며 이 역시 가장 최초로 실행되는 프로세스이다.
운영체제가 프로세스를 종료하는 경우는 다음과 같다.
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프로세스가 운영체제의 종료 서비스 exit()를 호출해 정상 종료하는 경우
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프로세스의 실행 시간 또는 특정 이벤트 발생을 기다리는 시간이 제한된 시간을 초과한 경우
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프로세스가 파일 검색 또는 입출력에 실패하는 경우
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오류가 발생하거나 메모리 부족 등이 발생하는 경우
부모 프로세스는 다음과 같은 경우에 자식 프로세스를 종료시킬 수 있다.
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자식 프로세스가 할당된 자원을 초과해 사용할 때
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자식 프로세스에 할당된 작업이 없을 때
프로세스 상태도
모든 프로세스는 CPU에 의해 생성되고 소멸하는 과정을 거친다.
이 과정에서 프로세스는 생성(new), 준비(ready), 대기(waiting), 실행(running), 종료(terminated)라는 5가지 상태로 존재한다.
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생성(new)
프로세스가 PCB를 가지고 있지만 OS로부터 승인(admit)받기 전
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준비(ready)
OS로부터 승인받은 후 준비 큐에서 CPU 할당을 기다림
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실행(running)
프로세스가 CPU를 할당받아 실행함
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대기(waiting)
프로세스가 입출력이나 이벤트 발생을 기다려야 해서 CPU 사용을 멈추고 기다림
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종료(terminated)
프로세스 실행을 종료함
프로세스는 한 상태에서 다른 상태로 다음과 같이 변화한다.
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new → ready
생성 상태의 프로세스가 OS로부터 승인을 받아 준비 상태의 프로세스가 모여 있는 자료구조인 준비 큐에 추가됨
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ready → running
준비 큐에 있는 프로세스 중 우선순위가 높은 프로세스가 디스패치되어 실행됨
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running → ready
CPU 독점을 방지하기 위해 타임아웃되어 준비 상태로 변경됨
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running → waiting
입출력 또는 이벤트 때문에 대기 상태로 변경됨
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waiting → ready
입출력 또는 이벤트가 완료되어 준비 상태로 변경됨
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running → terminated
실행 중인 프로세스가 정상적으로 끝나서 종료 상태로 변경됨
멀티 프로세스와 멀티 스레드
멀티 프로세스와 멀티 스레드 개념을 이해하려면 동시성과 병렬성을 알아야 한다.
동시성(concurrency)은 하나의 코어에서 여러 작업을 번갈아 가면서 처리하는 방식이다.
CPU의 코어는 한 번에 하나의 작업만 처리할 수 있어서 여러 작업을 조금씩 돌아가면서 처리한다.
이렇게 하나의 코어에서 여러 작업을 번갈아 가면서 처리하기 위해 처리 중인 작업을 교체하는 것을 컨텍스트 스위칭이라고 한다.
병렬성(parallelism)은 여러 개의 코어에서 각 코어가 각 작업을 동시에 처리하는 방식이다.
즉, 물리적인 시간 관점에서 동시에 여러 작업이 처리된다.
멀티 프로세스(multi process)는 응용 프로그램 하나를 여러 프로세스로 구성하는 것을 의미한다.
멀티 프로세스 환경에서는 한 프로세스가 죽어도 다른 프로세스에 영향을 주지 않는다.
그래서 응용 프로그램을 프로세스 하나로 구성하는 것보다 여러 개로 구성하는 것이 안정적이다.
하지만 시간과 메모리 공간을 많이 사용한다는 단점이 있다.
앞서 설명했듯이 CPU의 코어는 하나의 작업만 처리할 수 있다.
그래서 여러 프로세스를 처리하려면 코어에서 처리 중인 프로세스를 교체하는 컨텍스트 스위칭 작업이 이루어져야 한다.
이때 코어에서 기존에 처리하던 프로세스가 할당받은 메모리 영역을 다른 프로세스에서 사용할 수 있게 교체하면서 시간과 메모리가 필요한데 이를 오버헤드(overhead)라고 한다.
또한 프로세스는 독립적인 메모리를 할당받는다.
따라서 프로세스 간에 공유할 자원이 있다면 IPC(Inter Process Communication)를 통해 프로세스 간에 자원을 공유해야 한다.
그래서 공유할 메모리를 직접 참조하는 것보다 비효율적이다.
멀티 스레드(multi thread)는 스레드를 여러 개 생성해 스레드들이 각자 다른 작업을 처리하는 것을 의미한다.
멀티 스레드는 스레드 간에 힙, 데이터, 코드 영역을 공유한다.
그래서 컨텍스트 스위칭을 할 때 오버헤드가 적게 발생하고 IPC를 사용하지 않아도 되어 멀티 프로세스의 단점을 보완할 수 있다.
따라서 독립적인 메모리 공간을 갖는 프로세스를 여러 개 생성하는 것보다 스레드를 여러 개 생성하는 것이 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.
그리고 스레드 간 자원 공유가 프로세스 간 자원 공유보다 시스템 처리 비용이 적고 프로그램 응답 시간도 단축된다.
하지만 스택 영역을 다른 스레드와 함께 사용하므로 공유 자원에 대한 동기화가 필수다.
또한 스레드에 문제가 생기면 프로세스 내 다른 스레드에 영향을 미칠 수 있다.
컨텍스트 스위칭
컨텍스트 스위칭을 이해하려면 인터럽트(interrupt)를 알아야 한다.
interrupt는 우리말로 ‘방해하다, 중간시키다’라는 뜻으로 CPU에서 프로세스를 처리하다가 입출력 관련 이벤트가 발생하거나 예외 상황이 발생할 때 이에 대응할 수 있게 CPU에 처리를 요청하는 것을 의미한다.
인터럽트가 발생하는 경우는 입출력이 발생할 때, CPU 사용 시간이 만료되었을 때, 자식 프로세스를 생성할 때가 있다.
CPU는 하나의 프로세스만 처리할 수 있으므로 멀티 프로세스를 처리하려면 CPU 스케줄러에 의해 인터럽트가 발생하면서 컨텍스트 스위칭이 이뤄진다.
여기서 컨텍스트(context)는 CPU가 처리하는 프로세스의 정보를 의미한다.
즉, 멀티 프로세스 환경에서 CPU가 처리 중인 프로세스의 정보를 바꾸는 것이 컨텍스트 스위칭이다.
멀티 스레드를 처리할 때도 컨텍스트 스위칭이 이뤄진다.
하지만 멀티 프로세스의 컨텍스트 스위칭보다 시간과 메모리 자원을 적게 사용한다.
앞서 설명했듯이 멀티 스레드는 스택을 제외한 힙, 데이터, 코드 영역을 공유하므로 레지스터에 저장하고 로드해야 하는 데이터가 상대적으로 적기 때문이다.
CPU에서 처리 중인 프로세스가 중간에 변경되어도 이전에 실행하던 코드를 이어서 실행할 수 있는 이유는 PCB에 프로그램 카운터와 스택 포인터 값이 저장되어 있기 때문이다.
프로그램 카운터는 프로세스가 이어서 처리해야 하는 명령어의 주소 값이고 스택 포인터는 스택 영역에서 데이터가 채워진 가장 높은 주소 값을 가리킨다.
이어서 실행할 명령어의 주소 값이 무엇인지, 데이터가 스택에 어디까지 채워져 있는지 알고 있으므로 컨텍스트 스위칭이 원활히 이뤄질 수 있다.
프로세스 동기화
경쟁 상태
여러 프로세스 또는 스레드에서 하나의 공유 자원에 접근하는 경우가 있는데 이때 자원에 접근하는 순서에 따라 결과 값이 달라질 수 있다.
이러한 현상을 공유 자원에 동시에 접근해 경쟁하는 상태라고 해서 경쟁 상태(race condition)라고 한다.
이러한 문제를 해결하려면 프로세스 동기화가 이뤄져야 한다.
임계 영역
공유 자원에 접근할 수 있고 접근 순서에 따라 결과가 달라지는 코드 영역을 임계 영역(ciritical section)이라고 한다.
임계 영역에서 경쟁 상태가 발생하는 것을 방지하려면 여러 프로세스가 공유 자원에 접근해도 데이터의 일관성이 유지되도록 프로세스 동기화(process synchronization)를 해야 한다.
임계 영역에 여러 접근이 동시에 발생하는 것을 방지하려면 다음 3가지 조건을 충족해야 한다.
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상호배제 기법(mutual exclusive)
어떤 프로세스가 임계 영역을 실행 중일 때 다른 프로세스가 임계 영역에 접근할 수 없다.
상호배제 기법으로는 뮤텍스와 세마포어가 있다.
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진행(progress)
임계 영역을 실행 중인 프로세스가 없을 때 다른 프로세스가 임계 영역을 실행한다.
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한정된 대기(bounded waiting)
임계 영역에 접근을 요청했을 때 무한한 시간을 기다리지 않는다.
뮤텍스
뮤텍스(mutex)는 락(lock)을 가진 프로세스만이 공유 자원에 접근할 수 있게 하는 방법이다.
뮤텍스의 작동 방식은 열쇠가 하나 뿐인 화장실과 같다.
여기서 화장실은 공유 자원을 포함한 임계 영역을, 열쇠는 락을, A와 B는 공유 자원에 접근하려는 프로세스를 의미한다.
임계 영역에 먼저 접근한 프로세스가 임계 영역에 락을 걸면 다른 프로세스들은 해당 프로세스가 락을 해제하기 전까지 대기해야 한다.
이처럼 임계 영역을 접근한 프로세스가 임계 영역에 락을 건다고 해서 락킹 메커니즘(locking mechanism)이라고도 한다.
임계 영역에 접근하지 못한 프로세스는 락을 얻기 위해 기다리는 동안 락이 풀렸는지 반복문을 돌면서 확인한다.
이를 바쁜 대기(busy waiting)의 한 종류인 스핀락이라고 한다.
즉, 스핀락(spinlock)은 락을 얻기 위해 프로세스가 반복문을 돌면서 기다리는 것을 의미한다.
프로세스가 대기 상태가 되지 않고 반복문을 돌면서 자원의 사용 가능 여부를 확인하므로 프로세스가 빠르게 교체될 수 있다.
세마포어
세마포어(semaphore)는 공유 자원에 접근할 수 있는 프로세스의 수를 정해 접근을 제어하는 방법이다.
세마포어의 작동 방식은 화장실 예에 비유하면 다음과 같다.
뮤텍스일 때와 동일하게 화장실은 공유 자원을 포함한 임계 영역을 의미하고 A, B, C, D는 공유 자원에 접근하려는 프로세스를 의미한다.
화장실 개수(열쇠 개수)는 공유 자원에 접근할 수 있는 프로세스의 수를 제어하기 위한 정수 변수를 나타낸다.
임계 영역에 접근할 수 있는 키 n개를 지정하고 이 중 하나를 가진 프로세스만이 임계 영역에 접근하게 하는 방식이다.
이 방식은 공유 자원에 접근한 프로세스가 접근을 해제하면 다른 프로세스가 접근할 수 있도록 신호를 보낸다고 해서 시그널링 메커니즘(signaling mechanism)이라고도 한다.
동기와 비동기, 블로킹과 논블로킹
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동기(synchronization) : 여러 작업을 처리할 때 작업 순서를 보장함
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비동기(asynchronization) : 여러 작업을 처리할 때 작업 순서를 보장하지 않음
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블로킹(blocking) : 작업을 수행할 때 대기할 수 있다는 것을 의미하며 작업 순서를 보장하지 않음
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논블로킹(non-blocking) : 작업을 시작하면 대기 없이 수행한다는 것을 의미함
동기와 비동기는 전체적인 작업에 대한 순차적인 흐름 유무이고
블로킹과 논블로킹은 전체적인 작업의 흐름 자체를 막냐 안 막냐이다.
교착 상태
상호배제 기법 때문에 2개 이상의 프로세스가 각각 자원을 가지고 있으면서 서로의 자원을 요구하며 기다리는 상태를 교착 상태(deadlock)라고 한다.
교착 상태가 발생하는 4가지 필요 충분 조건이 있다.
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상호배제(mutual exclusive)
하나의 공유 자원에 하나의 프로세스만 접근할 수 있다.
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점유와 대기(hold and wait)
프로세스가 최소 하나의 자원을 점유하고 있는 상태에서 추가로 다른 프로세스에서 사용 중인 자원을 점유하기 위해 대기한다.
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비선점(non-preemption)
다른 프로세스에 할당된 자원을 뺏을 수 없다.
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환형 대기(circular wait)
프로세스가 자신의 자원을 점유하면서 앞이나 뒤에 있는 프로세스의 자원을 요구한다.
교착 상태를 막으려면 앞의 4가지 필요 충분 조건 중에서 한 가지를 제거하면 된다.
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상호배제 부정
여러 프로세스가 동시에 하나의 공유 자원을 사용할 수 있게 한다.
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점유와 대기 부정
프로세스가 실행되기 전에 필요한 모든 자원을 할당함으로써 프로세스 대기를 없앤다.
또는 프로세스가 자원을 점유하지 않은 상태에서만 자원을 요구하게 한다.
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비선점 부정
자원을 점유한 프로세스가 다른 자원을 요구할 때 점유한 자원을 반납하게 한다.
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환형 대기 부정
자원을 선형 순서로 정렬해 고유 번호를 할당한다.
그리고 각 프로세스에서 요구할 수 있는 번호의 방향을 정해서 한쪽 방향으로만 자원을 요구하게 한다.
스레드 안전
스레드 안전(thread safe)은 멀티 스레드 환경에서 하나의 변수, 함수, 객체에 스레드 여러 개가 동시에 접근해도 문제가 없음을 의미한다.
var 변수의 값을 메모리에서 CPU 레지스터로 로드 → 연산 처리 → 연산 결과를 메모리에 작성하는 과정을 거치게 된다.
만약 이 코드에 스레드 2개가 접근하면 잘못된 결과를 초래할 수 있다.
스레드 안전하기 위해서는 다음과 같은 조건을 지켜야 한다.
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상호배제(mutual exclusive)
공유 자원에 접근해야 할 때 뮤텍스 또는 세마포어와 같은 상호배제 기법을 사용해 접근을 통제해야 한다.
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원자 연산(atomic operation)
공유 자원에 접근할 때 원자 연산을 이용하거나 원자적으로 정의된 연산을 이용해 연산 도중에 다른 스레드가 접근할 수 없게 한다.
여기서 원자 연산이란 ‘연산했다’와 ‘연산 안 했다’ 두 가지만 존재하는 연산이다.
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재진입성(reentrancy)
특정 함수를 하나의 스레드에서 실행 중일 때 다른 스레드가 해당 함수를 실행해도 각 스레드에 올바른 결과가 나올 수 잇게 해야 한다.
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스레드 지역 저장소(thread local storage)
각 스레드에서만 접근할 수 있는 저장소를 사용해서 공유되는 자원을 줄여야 한다.
IPC
프로세스는 고유한 메모리 영역을 갖기 때문에 프로세스 간 자원을 공유해야 할 때 IPC해야 한다.
IPC(Inter Process Communication)는 프로세스 간에 자원을 공유하는 방식을 나타낸다.
공유 메모리(shared memory)
프로세스 간에 공유 가능한 메모리를 구성해 자원을 공유하는 방식이다.
여러 프로세스에서 접근할 수 있으므로 동기화 문제가 발생할 수 있다.
소켓(socket)
네트워크 소켓을 이용하는 프로세스 간 통신으로 외부 시스템과도 이용할 수 있다.
클라이언트(client)와 서버(server) 구조로 자원을 주고 받는다.
세마포어(semaphore)
접근하는 프로세스를 제어해 공유 자원을 관리한다.
파이프(pipe)
FIFO 형태의 메모리인 파이프를 이용해 프로세스 간 자원을 공유하는 방식이다.
파이프는 단방향 통신만 지원하므로 읽기 또는 쓰기 중 하나만 할 수 있다.
따라서 양방향 통신을 하려면 읽기 파이프와 쓰기 파이프를 각각 생성해야 한다.
메세지 큐(message queue)
FIFO 형태의 큐 자료구조를 사용해 프로세스 간 메시지를 주고받는 방식이다.
IPC 기법과 커널의 상관관계
대부분의 IPC 기법은 커널이 적어도 설정이나 관리, 동기화의 역할을 수행한다.
그러나 공유 메모리처럼 통신 자체는 커널을 거치지 않고 진행되는 경우도 있다.
좀비 프로세스와 고아 프로세스
좀비 프로세스
자식 프로세스가 종료되었지만 부모 프로세스가 자식 프로세스의 종료 상태를 회수하지 않았을 경우에 남겨진 자식 프로세스를 좀비 프로세스(zombie process)라고 한다.
자식 프로세스가 종료될 때 부모 프로세스에 SIGCHLD라는 시그널을 보내면 부모 프로세스에서 wait() 함수(시스템 콜)를 호출해 자식 프로세스의 상태 정보를 받고 자원을 회수한다.
이때 자원 회수에 실패하면 좀비 프로세스가 생기게 된다.
좀비 프로세스가 쌓이면 자원이 낭비될 수 있다.
고아 프로세스
부모 프로세스가 자식 프로세스보다 먼저 종료되는 경우에 자식 프로세스를 고아 프로세스(orphan process)라고 한다.
이럴 때는 자식 프로세스의 부모 PID를 init 프로세스(최초의 프로세스)의 PID인 1로 바꿔 준다.
이렇게 하면 고아 프로세스의 부모 프로세스는 init 프로세스가 된다.
이후에 고아 프로세스가 작업을 종료하면 init 프로세스가 고아 프로세스의 자원을 회수해 좀비 프로세스가 되는 것을 방지할 수 있다.