[Swift Concurrency 2편] Process & Thread

프로세스

*프로그램의 인스턴스가 메모리에 올라와있는 것 프로그램: 디스크에 실행파일 형식으로 저장되어 있음

프로세스 분류

• 포그라운드 프로세스화면에서 사용자와 상호작용 함
• 사용자가 볼 수 있는 공간에서 실행됨
• 백그라운드 프로세스
• 사용자가 볼 수 없는 공간, 화면 뒤에서 실행되는 데몬이 대표적 예시

프로세스 메모리 구조

스택과 힙

• 동적 할당
  • 스택과 힙은 동적 할당 됨 (런타임 단계에서 메모리를 할당받는 것)
• 스택
  • 지역변수, 함수 파라미터.. 등등 늘어나거나 줄어드는 메모리 영역
  • 함수 호출 시마다 환경 등 특정 정보가 스택에 계속 저장됨
  • 재귀 함수가 호출될 때 새로운 스택 프레임이 매번 사용됨
    • 단점: 반복적 호출 또는 함수가 메모리 초과할 정도로 지역 변수를 많이 가질 경우 Stack Overflow 발생
• 힙
  • 프로그래머가 필요할 때마다 사용하는 메모리 영역
  • 힙 영역은 런타임에 결정됨
  • arc에 의해 레퍼런스 카운팅으로 관리된다.

데이터 영역과 코드 영역

• 정적 할당
  • 두 영역은 정적 할당 됨 (컴파일 단계에서 메모리 할당)
• 데이터 영역
  • 전역변수 혹은 정적 변수 등 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 공간
• 코드 영역
  • 사용자가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU에서 수행할 수 있는 기계어 명령 형태로 변환되어 저장되는 공간

프로세스 생성 과정

1. 프로그램 코드를 메모리로 적재한다. - Load
   • 게으른 방식으로 필요할 때마다 가져옴
2. 실행시간 스택 할당
3. 힙 생성
   • 실행 도중 동적으로 요구되는 공간 할당을 위한 영역
4. 입출력 초기화 작업
   • stdin, stdout, stderr 장치와 연결 설정
   • I/O 또는 시그널 관련 자료구조 초기화
5. 프로그램 시작점으로 분기하여 실행 시작
   • 주로 main()

프로세스 상태

프로세스는 3가지의 기본 상태를 갖는다.

• 실행
  • CPU가 프로세스에 포함된 명령을 실행 중인 상태
  • CPU는 한 번에 하나의 작업밖에 하지 못함
• 준비
  • 실행 준비는 되어 있으나, CPU 사용이 불가능한 상태
  • e.g. 다른 프로세스가 실행중인 경우
• 대기
  • 프로세스가 다른 사건을 기다리는 동안 프로세스의 실행이 중단되어 있는 상태
  • e.g. 입출력 요청 발생

PCB (Process Control Block)

• 운영체제에서 프로세스에 대한 메타데이터를 저장하는 자료구조
• 프로세스가 생성될 때 운영체제는 PCB를 생성함
• PCB에 들어가는 것
  • PID
  • 프로세스 상태
  • 프로세스 권한
  • 프로세스 우선순위
  • PC
  • CPU 레지스터

컨텍스트 스위칭

개념

• PCB를 기반으로 기존 실행중인 프로세스의 상태를 저장하고, 새로운 프로세스의 실행을 위해 상태를 로드시키는 과정
• 한 프로세스에 할당된 시간이 끝나거나, 인터럽트에 의해 발생됨

발생과정

1. 현재 실행중인 프로세스 정보를 PCB에 업데이트 후 메인 메모리에 저장
2. 다음 실행할 프로세스 정보를 메인 메모리에서 가져와 CPU 레지스터에 넣고 실행
3. 컨텍스트 스위칭이 발생할 때마다 유휴 시간이 생김

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스레드

하나의 프로세스 내에 독립된 실행 흐름 프로세스 주소 공간을 공유함 → 추후 동시성 문제 가능성

멀티 스레드

하나의 프로세스 내에서 작업을 여러 개의 스레드로 처리

• 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음
• 프로세스: 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성 스레드: 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유하고 그외의 영역만 각각 생성
• 하나의 CPU에서는 한 번에 하나의 스레드 씩 실행함
  • PC 및 레지스터를 독자적으로 유지 (= 별도의 Context)
  • TCB에 관리 정보 유지 (스레드 단위로 스케줄링)
• OS가 실행 스레드 교체 시 컨텍스트 스위칭

장점

• 빠른 생성 가능
• 스레드끼리 서로 자원을 공유하므로 적은 리소스로 효율성 증대
• 한 스레드가 중단돼도, 다른 실행중인 스레드가 있기에 빠른 처리 가능

단점

• 한 스레드에 문제 발생 시, 다른 스레드에 영향을 끼쳐 프로세스 자체에 영향을 줄 수 있음