[CS 면접 질문] 프로세스(2)

 

 

프로세스 혹은 스레드의 동기화란 무엇인가요?

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• 동기화란?
  • 동기화 메커니즘은 한 번에 하나의 스레드 또는 프로세스만 공유 리소스에 액세스할 수 있도록 상호 배제를 적용하는 방법을 제공하는 것이다.
• 동기화를 해야하는 이유
  • 멀티 스레드인 경우 서로 다른 쓰레드가 프로세스의 메모리를 공유하기 때문에 동시에 자원에 접근하는 상황(경쟁 상황)이 생기게 되는데 이런 경쟁 상황으로 인해 발생하는 문제가 동기화 문제이다.
  • 이런 문제로부터 보호하기 위해 하나의 프로세스 혹은 하나의 쓰레드만이 한 자원에 접근할 수 있게 해야 한다.
• 동기화 방법
  • Mutex(뮤텍스), Semaphore(세마포어) 방법을 사용하여 해결할 수 있다. 간단하게 말하면 뮤텍스는 한 개의 쓰레드만 공유 자원에 접근할 수 있게 해서 경쟁 상황을 방지하는 것이고, 세마포어는 지정한 수 만큼의 쓰레드만 공유 자원에 접근할 수 있게 하는 것이다.

 

사용자 수준의 스레드와 커널 수준의 스레드의 차이는 무엇인가요?

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사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드는 생성 주체가 누구냐에 따라 구분

사용자가 라이브러리를 통해 만들고 관리하는 스레드가 사용자 수준 스레드이고, OS의 커널이 만들고 관리하는 스레드가 커널 수준 스레드

 

 

사용자 수준 스레드

• 사용자가 스레드 관련 라이브러리로 구현해 사용하는 스레드를 사용자 수준 스레드라고 한다.
• 스레드와 관련된 모든 행위를 사용자 영역에서 하기 때문에, 커널은 사용자 수준 스레드의 존재를 알지 못하고, 스레드 교환에 개입하지 않는다.
• 사용자 수준 스레드 N개가 커널 수준 스레드 1개에 매핑되므로, 다대일 스레드 매핑이라고 한다.

 

장점

• 커널에 독립적으로 스케줄링 할 수 있다 → 모든 운영체제에 적용할 수 있다, 이식성이 높다.
• 스케줄링이나 동기화를 위해 커널을 호출x → 커널 영역으로 전환하는 오버헤드가 줄어든다.
• 커널이 아닌 스레드 라이브러리에서 스레드 스케줄링을 제어 → 유연한 스케줄링이 가능하다.

단점

• 하나의 프로세스로부터 할당된 여러개의 스레드들 중, 한 스레드가 대기 상태가 되면, 모든 스레드들을 실행시킬 수 없게 된다.
• 커널이 스레드 관리에 개입하지 않으므로, 스레드 간 보호에 커널의 보호 방법을 사용할 수 없다. 라이브러리 수준의 보호 방법까지만 사용 가능하다.

핵심 키워드

• 커널이 사용자 수준 스레드를 알지 못한다
  • 장점: 스케줄링이나 동기화를 위해 커널을 호출하지 않는다 → 커널 영역으로 전환하는 오버헤드가 줄어든다.
  • 단점: 스레드 간 보호에 커널의 보호 방법을 사용할 수 없다.

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커널 수준 스레드

커널이 스레드와 관련된 모든 작업을 관리하는 방식이다.

사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드가 1대1로 매핑된다.

 

단점

커널이 직접 스케줄링하고 실행하기 때문에 커널의 관리 지원을 많이 받을 수 있지만, 그 만큼 오버헤드가 늘어난다.

장점

커널이 각 스레드들을 개별적으로 관리할 수 있으므로, 동일한 프로세스에서 할당된 여러개의 스레드들 중 한 스레드가 대기상태가 되더라도, 다른 스레드들은 실행시킬 수 있다.

 

핵심 키워드

• <커널>이 스레드와 관련된 모든 작업을 관리

 

CPU 스케줄링이란 무엇인가요?

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여러 프로세스나 스레드가 CPU 시간을 놓고 경쟁하는 멀티태스킹 환경에서 CPU 스케줄링은 CPU를 효율적으로 활용하기 위해 언제 어떤 프로세스에 CPU를 할당할지 결정하는 작업이다.

 

nonpreemptive(비선점형)

• 강제로 빼앗지 않고 자진 반납

preemptive(선점형)

• 강제로 빼앗음

 

스케줄링 성능 평가

CPU utilization (이용률)

• 전체 시간 중에서 CPU가 일을 한 시간의 비율
• keep the CPU as busy as possible

Throughput (처리량)

• 주어진 시간동안 준비 큐에서 기다리고 있는 프로세스 중 몇 개를 끝마쳤는지 나타냄
• 즉 CPU의 서비스를 원하는 프로세스 중 몇 개가 원하는 만큼의 CPU를 사용하고 이번 CPU 버스트를 끝내어 준비 큐를 떠났지 측정한 것
• 더 많은 프로세스들이 CPU 작업을 완료하기 위해서는 CPU 버스트가 짧은 프로세스에게 우선적으로 CPU를 할당하는 것이 유리
• number of processes that complete their execution per time until

Turnaround time (소요 시간, 반환 시간)

• 프로세스가 CPU를 요청한 시점부터 자신이 원하는 만큼 CPU를 다 쓰고 CPU 버스트가 끝날 때까지 걸린 시간
• (준비 큐에서 기다린 시간) + (실제로 CPU를 사용한 시간)
• amount of time to execute a particular process

Waiting time (대기 시간)

• CPU 버스트 기간 중 프로세스가 준비 큐에서 CPU를 얻기 위해 기다린 시간의 합을 뜻한다.
• 시분할 시스템의 경우, 한 번의 CPU 버스트 중에도 준비 큐에서 기다린 시간이 여러 번 발생할 수 있다.
• 이때 대기 시간은 CPU 버스트가 끝나기까지 준비 큐에서 기다린 시간의 합을 뜻하게 된다.
• amount of time a process has been waiting in the ready queue

Response time (응답 시간)

• 프로세스가 준비 큐에 들어온 후 첫 번째 CPU를 획득하기까지 기다린 시간을 뜻한다.
• 응답 시간은 대화형 시스템에 적합한 성능 척도로서, 사용자 입장에서 가장 중요한 성능 척도라고 할 수 있다.

 

 

CPU 스케줄링 방법에는 대표적으로 어떤 것들이 있나요?

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FCFS (First-Come First-Served)

• 비선점형 스케쥴링
• 먼저 온 순서대로 처리하는 스케줄링
• CPU를 오래 쓰는 프로세스가 먼저 와서 CPU를 할당 받으면, 나머지 프로세스들은 전부 기다려야하므로 효율적이지 않음

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SJF (Shortest-Job-First)

• SJF는 CPU 버스트가 가장 짧은 프로세스에게 제일 먼저 CPU를 할당하는 방식
• 평균 대기 시간을 가장 짧게 하는 최적 알고리즘

두 가지 방식

• nonpreemptive (비선점형)
  • 일단 CPU를 잡으면 더 짧은 프로세스가 들어와도 CPU 버스트가 완료될 때까지 CPU를 선점당하지 않음
• preemptive (선점형)
  • SRTF (Shortest-Remaining-Time-First)
  • CPU를 잡았다 하더라도 더 짧은 프로세스가 들어오면 CPU를 빼앗김

문제점

• Starvation (기아)
  • 짧은 프로세스로 인해 긴 프로세스가 영원히 CPU를 잡지 못할 수 있음
• CPU 버스트 시간을 미리 알 수 없음
  • 과거 CPU 사용 시간을 통해 추정만 가능

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우선 순위 스케줄링 (Priority Scheduling)

• 우선 순위가 제일 높은 프로세스에게 CPU를 할당
• 일반적으로 우선 순위 값 (priority number)가 작을 수록 높은 우선 순위

두 가지 방식

• nonpreemptive (비선점형)
  • 일단 CPU를 잡으면 더 높은 우선 순위를 가진 프로세스가 들어와도 CPU 버스트가 완료될 때까지 CPU를 선점당하지 않음
• preemptive (선점형)
  • CPU를 잡았다 하더라도 더 높은 우선 순위를 가진 프로세스가 들어오면 CPU를 빼앗김
• SJF는 일종의 우선 순위 스케줄링이라고 볼 수 있음 (우선 순위 = 예상되는 다음 CPU 버스트 시간)

문제점

• Starvation (기아): 우선 순위가 낮은 프로세스는 영원히 CPU를 잡지 못할 수 있음

해결 방안

• Aging (노화): 아무리 우선 순위가 낮은 프로세스라 하더라도 시간이 오래 지나면 우선 순위를 높여주는 기법

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Round Robin (RR)

• 선점형 스케줄링
• 각 프로세스는 동일한 크기의 할당 시간인 time quantum 을 가짐
• 할당 시간이 지나면 프로세스는 CPU를 빼앗기고 Ready Queue 맨 뒤에 가서 줄을 서게 됨
• 짧은 응답 시간을 보장함
  • 조금씩 CPU를 줬다 뺏었다를 반복하기 때문에 CPU를 최초로 얻기까지 걸리는 시간이 짧음
• 성능
  • q가 커질 수록 FCFS에 가까워짐
  • q가 작을 수록 context switch 오버헤드가 증가함
• 일반적으로 SJF보다 **평균 turnaround time(소요 시간)**이 길지만, 응답 시간은 짧음
• 시간이 오래 걸리는 job과 짧게 걸리는 job이 섞여 있을 때는 효율적이지만, 모든 시간이 동일한 job만 있을 때는 비효율적

 

 

동기와 비동기, 블로킹과 넌블로킹의 차이는 무엇인가요?

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Blocking(블로킹)과 Non-blocking(논블로킹)

• A 함수가 B 함수를 호출했을 때, 제어권을 어떻게 처리하느냐에 따라 달라진다.
• 제어권
  • 제어권은 자신(함수)의 코드를 실행할 권리 같은 것이다. 제어권을 가진 함수는 자신의 코드를 끝까지 실행한 후, 자신을 호출한 함수에게 돌려준다.

1) 블로킹

블로킹은 A 함수가 B 함수를 호출하면, 제어권을 A가 호출한 B 함수에 넘겨준다.

 

2) 논블로킹

논블로킹은 A함수가 B함수를 호출해도 제어권은 그대로 자신이 가지고 있는다.

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Synchronous(동기)와 Asynchronous(비동기)

• 동기와 비동기의 차이는 호출되는 함수의 작업 완료 여부를 신경쓰는지의 여부의 차이이다.

1) 동기

함수 A가 함수 B를 호출한 뒤, 함수 B의 리턴값을 계속 확인하면서 신경쓰는 것이 동기이다.

 

2) 비동기

함수 A가 함수 B를 호출할 때 콜백 함수를 함께 전달해서, 함수 B의 작업이 완료되면 함께 보낸 콜백 함수를 실행한다.

함수 A는 함수 B를 호출한 후로 함수 B의 작업 완료 여부에는 신경쓰지 않는다.