docs: 운영체제 3

- 프로세스와 스레드에 대해 이해합니다

Author: hyoloui

docs/운영체제/03.md

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+title: 프로세스와 스레드
+description: CPU가 여러 프로세스를 번갈아 가며 실행할 수 있게 하는 핵심 메커니즘은 '문맥 교환(Context Switching)'이며,  프로세스보다 더 작은 실행 단위인 **스레드(Thread)**의 중요성이 강조
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+## 1. 운영체제 기법의 발전사
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+운영체제는 하드웨어의 발전과 사용자 요구사항의 변화에 따라 다양한 처리 방식으로 진화해왔다.
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+| 세대  | 시스템 유형                                       | 주요 특징                                                                                                                                             |
+| ----- | ------------------------------------------------- | ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
+| 1세대 | 일괄 처리 시스템 (Batch-processing System)        | 데이터를 일정량 모아 한 번에 처리하는 방식. CPU 유휴 시간은 줄어들지만, 반환 시간(turnaround time)이 길다.                                            |
+| 2세대 | 다중 프로그래밍 시스템 (Multi-programming System) | 하나의 CPU로 여러 프로그램을 동시에 처리. CPU가 유휴 상태일 때 다른 작업으로 전환(인터리빙)하여 CPU 사용률과 처리량을 높인다.                         |
+|       | 다중 처리 시스템 (Multi-processing System)        | 여러 개의 CPU가 하나의 메모리를 공유하여 작업을 동시에 처리. 속도와 신뢰성이 높다.                                                                    |
+|       | 실시간 처리 시스템 (Real-time Processing System)  | 데이터 입력 즉시 처리하여 결과를 반환. 좌석 예약, 온라인 뱅킹 등에 사용되며, 정해진 시간 내 완료를 보장하는 Hard와 우선순위만 보장하는 Soft로 나뉜다. |
+|       | 시분할 시스템 (Time-sharing System)               | 다중 프로그래밍을 확장하여 여러 사용자가 대화형으로 작업. CPU 시간을 잘게 나누어(time slice) 할당하는 라운드 로빈(Round Robin) 방식을 사용한다.       |
+| 3세대 | 다중 모드 처리 시스템 (Multi-mode System)         | 일괄 처리, 시분할, 다중 처리, 실시간 처리 등 여러 방식을 하나의 시스템에서 모두 제공한다.                                                             |
+| 4세대 | 분산 처리 시스템 (Distributed Processing System)  | 여러 컴퓨터를 네트워크로 연결하여 작업을 분산 처리. 자원 공유, 처리 속도, 신뢰성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.                                     |
+|       | 클라우드 컴퓨팅 (Cloud Computing)                 | IT 자원(컴퓨팅, 스토리지 등)을 네트워크를 통해 필요할 때마다 사용하고, 사용한 만큼 비용을 지불하는 서비스 모델이다.                                   |
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+## 2. 프로세스의 이해
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+### 2.1. 프로세스의 개념과 정의
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+- 프로그램(Program): 저장장치에 저장된 정적인 코드의 집합. (예: 레시피)
+- 프로세스(Process): 실행을 위해 메모리에 적재된 동적인 상태. 컴퓨터 내에서 실행 중인 프로그램이며, <br/ >운영체제가 관리하는 작업의 기본 단위이다. (예: 레시피에 따라 진행 중인 요리)
+
+프로세스는 단순히 프로그램 코드뿐만 아니라, 실행 상태와 관련된 정보를 포함하는 능동적인 개체(active entity)이다. <br/ >
+운영체제는 각 프로세스를 식별하고 관리하기 위해 **프로세스 제어 블록(PCB)** 을 사용한다.
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+### 2.2. 프로세스 제어 블록 (Process Control Block, PCB)
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+PCB는 운영체제가 프로세스를 관리하기 위해 필요한 모든 정보를 담고 있는 자료구조로,<br/ >`작업 지시서`에 비유할 수 있다. 프로그램이 프로세스로 전환된다는 것은 운영체제로부터 PCB를 할당받았음을 의미한다.
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+프로세스 = 프로그램 + PCB
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+PCB에 저장되는 주요 정보는 다음과 같다.
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+- 프로세스 구분자 (PID): 각 프로세스를 식별하는 고유 번호.
+- 프로세스 상태 (Process State): 현재 프로세스가 어떤 상태에 있는지 (준비, 실행 등).
+- 프로그램 카운터 (Program Counter): 다음에 실행할 명령어의 주소.
+- 레지스터 정보: CPU 레지스터의 값 (누산기, 인덱스 레지스터 등).
+- 메모리 관리 정보: 프로세스가 할당받은 메모리 공간의 위치 및 범위 정보.
+- 스케줄링 정보: 프로세스 우선순위, CPU 점유 시간 등.
+- 계정 정보: CPU 사용 시간, 계정 번호 등.
+- 입·출력 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력 장치 및 파일 목록.
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+### 2.3. 프로세스의 상태 변화
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+프로세스는 실행 과정에서 여러 상태를 거치며 변화한다. 이를 **프로세스 상태 천이(transition)** 라고 한다.
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+1. 생성 (New/Create): 프로그램이 메모리에 적재되고 PCB가 생성된 상태.
+2. 준비 (Ready): CPU를 할당받기를 기다리는 상태. 준비 상태의 프로세스들은 준비 큐(Ready Queue)에서 대기한다.
+3. 실행 (Running): CPU 스케줄러에 의해 선택되어 CPU를 할당받고 명령어를 실행하는 상태.
+4. 대기 (Wait/Blocked): 입출력(I/O) 작업과 같이 특정 이벤트가 완료되기를 기다리는 상태.
+5. 완료 (Terminated): 프로세스 실행이 끝나고 메모리에서 제거되기 전의 상태. 이 단계에서 PCB도 삭제된다.
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+주요 상태 천이 용어:
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+- 디스패치 (Dispatch): 준비 상태의 프로세스 중 하나를 선택하여 실행 상태로 전환하는 것.
+- 타임아웃 (Timeout): 할당된 시간(Time Slice)을 모두 소진한 프로세스가 다시 준비 상태로 돌아가는 것.
+- 블록 (Block): 실행 중인 프로세스가 입출력을 요청하여 대기 상태로 전환되는 것.
+- 웨이크업 (Wake up): 입출력 작업이 완료되어 대기 상태의 프로세스가 준비 상태로 전환되는 것.
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+이 외에도 메모리가 부족할 때 프로세스를 잠시 디스크로 내보내는 보류(Suspend) 상태가 있다.
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+## 3. 프로세스 관리와 문맥 교환
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+### 3.1. 프로세스 연산: 생성, 전환, 계층 구조
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+- fork() 시스템 호출 (생성 및 복사):
+  - 실행 중인 프로세스(부모 프로세스)가 자신과 거의 동일한 새로운 프로세스(자식 프로세스)를 생성하는 함수.
+  - PCB를 포함한 대부분의 메모리 영역이 복사되지만, PID와 같은 일부 정보는 새로 부여된다.
+  - fork()는 부모 프로세스에는 양수(자식의 PID)를, 자식 프로세스에는 0을 반환한다.
+  - 장점: 프로세스 생성 속도가 빠르고, 부모의 자원을 상속받아 시스템 관리가 효율적이다.
+- exec() 시스템 호출 (전환):
+  - 기존 프로세스의 메모리 공간을 새로운 프로그램으로 덮어쓰는 함수.
+  - 프로세스는 그대로 유지되지만, 코드, 데이터, 스택 영역의 내용이 완전히 교체된다.
+  - PID와 같은 PCB의 핵심 정보는 유지되므로, 기존 프로세스를 '재활용'하는 개념이다.
+- 프로세스 계층 구조:
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+  - 유닉스(Unix) 시스템에서 모든 프로세스는 최초의 init 프로세스로부터 파생된 트리 구조를 형성한다.
+  - 고아 프로세스 (Orphan Process): 부모 프로세스가 먼저 종료되어 돌아갈 곳이 없는 자식 프로세스.
+  - 좀비 프로세스 (Zombie Process): 자식 프로세스가 종료되었으나 부모가 뒤처리를 하지 않아 PCB가 메모리에 남아있는 상태. exit() 호출로 부모에게 종료를 알리고, 부모는 wait()로 자원을 회수해야 한다.
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+### 3.2. 문맥 교환 (Context Switching)
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+문맥 교환은 하나의 프로세스가 사용하던 CPU를 다른 프로세스에게 넘겨주기 위해 발생하는 절차이다.
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+1. 현재 실행 중인 프로세스의 상태 정보(문맥)를 해당 프로세스의 PCB에 저장한다.
+2. 다음에 실행할 프로세스의 PCB로부터 문맥을 CPU 레지스터에 적재(load)한다.
+3. 새로운 프로세스의 실행을 시작한다.
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+> 이 과정은 CPU를 차지하던 프로세스가 나가고 새로운 프로세스가 들어오는 것으로,<br/ >
+> 다중 프로그래밍의 핵심 동작이다. 문맥 교환 자체는 오버헤드(overhead)를 발생시키므로,<br/ >
+> 타임 슬라이스의 크기를 너무 작게 설정하면 문맥 교환 비용이 커져 시스템 효율이 저하될 수 있다.
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+## 4. 스레드의 개념과 활용
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+### 4.1. 스레드의 정의와 특징
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+- 스레드(Thread): 프로세스 내에서 작업을 수행하는 실행 흐름의 단위. CPU 입장에서의 작업 단위이다.
+- 경량 프로세스 (Lightweight Process): 하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있다.<br/ >이 스레드들은 프로세스의 자원(코드, 데이터, 힙 영역)을 공유하지만, 각자 독립적인 스택(Stack)과 레지스터 값을 가진다.
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+:::info 구분 멀티태스킹 멀티스레딩
+개념 여러 개의 프로세스가 동시에 실행 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드가 동시에 실행<br/ >
+자원 공유 프로세스 간 메모리 공유가 어려움 (IPC 필요) 스레드 간 코드, 데이터, 힙 영역 공유<br/ >
+오버헤드 문맥 교환 시 오버헤드가 큼 스레드 간 전환 시 오버헤드가 적음
+:::
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+### 4.2. 멀티스레드의 장점과 단점
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+- 장점:
+  - 응답성 향상: 한 스레드가 대기 상태에 있어도 다른 스레드는 계속 실행 가능.
+  - 자원 공유: 메모리 및 자원을 공유하므로 통신이 쉽고 효율적.
+  - 효율성 향상: 스레드 생성 및 전환 비용이 프로세스보다 적다.
+  - 다중 CPU 지원: 여러 CPU에서 스레드를 병렬로 실행하여 성능을 극대화할 수 있다.
+- 단점:
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+  - 자원을 공유하기 때문에 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스에 영향을 미칠 수 있다.
+  - 동기화(Synchronization) 문제가 발생할 수 있어 신중한 설계가 필요하다.
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+### 4.3. 멀티스레드 모델
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+사용자 수준 스레드를 커널 수준 스레드에 어떻게 매핑하는지에 따라 세 가지 모델로 나뉜다.
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+1. 사용자 수준 스레드 (Many-to-One 모델):
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+   - 여러 개의 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드에 매핑된다.
+   - 사용자 공간의 라이브러리에 의해 관리되므로 스레드 전환 속도가 빠르다.
+   - 단점: 하나의 스레드가 시스템 호출 등으로 대기 상태가 되면 모든 스레드가 대기하게 되며, 다중 CPU를 활용할 수 없다.
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+2. 커널 수준 스레드 (One-to-One 모델):
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+   - 사용자 스레드 하나가 커널 스레드 하나에 직접 매핑된다.
+   - 커널이 직접 스케줄링하므로 하나의 스레드가 대기해도 다른 스레드는 계속 실행 가능하다.
+   - 다중 CPU를 효율적으로 활용할 수 있다.
+   - 단점: 스레드 전환 시 커널 모드로의 전환이 필요해 오버헤드가 크다.
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+3. 멀티레벨 스레드 (Many-to-Many 모델):
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+   - 여러 개의 사용자 스레드를 그보다 적거나 같은 수의 커널 스레드에 매핑하는 혼합 방식.
+   - 두 모델의 장점을 결합하여 유연성과 효율성을 동시에 추구한다.
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+## 5. 프로세스 메모리 구조와 주요 시스템 호출
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+### 5.1. 동적 할당 영역
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+프로세스의 메모리 공간은 크게 **정적 할당 영역**과 **동적 할당 영역**으로 나뉜다.
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+- 정적 할당 영역:
+  - 코드(Code) 영역: 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 공간. 읽기 전용.
+  - 데이터(Data) 영역: 전역 변수와 정적 변수가 저장되는 공간.
+- 동적 할당 영역:
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+  - 힙(Heap) 영역: 프로그래머가 직접 관리하는 메모리 공간. malloc(), calloc() 등으로 할당된다.
+  - 스택(Stack) 영역: 함수 호출 시 지역 변수, 매개변수, 반환 주소 등이 저장되는 공간. 함수가 종료되면 자동으로 사라진다.
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+### 5.2. 핵심 시스템 호출: 와
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+- exit() 시스템 호출:
+  - 프로세스의 종료를 운영체제 및 부모 프로세스에 알리는 함수.
+  - 자식 프로세스는 exit()를 호출하여 자신이 사용하던 자원을 부모가 회수할 수 있도록 한다.
+  - 반환값(인자)을 통해 정상 종료(0)인지 비정상 종료(-1)인지 상태를 전달한다.
+- wait() 시스템 호출:
+  - 부모 프로세스가 자식 프로세스가 종료될 때까지 기다리게 하는 함수.
+  - 자식 프로세스가 종료되면 wait()는 반환되며, 부모는 자식의 종료 상태를 확인하고 관련 자원을 정리한다.
+  - 프로세스 간의 동기화를 위해 사용된다. 전면(foreground) 프로세스는 wait()를 사용해 자식이 끝날 때까지 대기하지만, 후면(background) 프로세스(&)는 wait() 없이 즉시 다음 명령을 받는다.