💻 [OS] 프로세스와 스레드

안녕하세요. 👋

오늘은 프로세스와 스레드에 대해 알아보겠습니다.

프로그램(Program)이란?

프로세스와 스레드에 대해 알아보려면 프로그램에 대해 먼저 알아야한다.

• 프로그램이란 컴퓨터에서 실행될 때 특정 작업(specific task)을 수행하는 일련의 명령어들의 모음(집합체)이다.
• 수동적인 존재

  즉, 어떠한 작업들을 수행시키기 위한 명령어(코드)의 모음이다.

프로세스(Process)란?

프로그램은 단지 어떠한 작업들을 수행시키기 위한 명령어(코드)의 모음이므로 실제로 작업들을 수행시키려면 이 프로그램을 실행시켜야 한다.

• 프로세스(process)는 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램을 말한다.
• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
• 능동적인 존재

프로세스 메모리 구조

실제로 자원을 부여받은 메모리 상의 프로세스 구조는 다음과 같다.

Code

• 메모리의 코드(code) 영역은 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 영역으로 텍스트(code) 영역이라고도 부른다.
• CPU는 코드 영역에 저장된 명령어를 하나씩 가져가서 처리하게 됩니다.

Data

• 메모리의 데이터(data) 영역은 프로그램의 전역 변수와 정적(static) 변수가 저장되는 영역이다.
• 데이터 영역은 프로그램의 시작과 함께 할당되며, 프로그램이 종료되면 소멸한다.

Stack

• 메모리의 스택(stack) 영역은 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개변수가 저장되는 영역이다.
• 스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되며, 함수의 호출이 완료되면 소멸한다.

Heap

• 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리이다.
• new 연산 등으로 동적으로 할당 된다.

특징

• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
• 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
• 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 한다.
  • ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용

스레드(thread)란?

• 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
• 프로세스의 특정한 수행 경로
• 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

스레드 특징

• 스레드는 프로세스 내에서 각 Stack 영역만을 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
• 동일한 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
• 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.
• 기본적으로 하나의 프로세스가 생성되면 하나의 스레드가 같이 생성된다.

멀티 프로세스와 멀티 스레드

Context Switching(문맥 교환) 이란?

• CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 Context Switching이라 한다.
• 구체적으로, 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말한다.

멀티 프로세스

멀티 프로세싱이란

• 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(태스크)을 처리하도록 하는 것이다.

장점

• 안정성이 좋다. 여러개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생해도, 다른 자식 프로세스에 영향이 확산되지 않는다.
• 구현이 비교적 간단하다. 단점
• 메모리 사용량이 많다.
  • 공유하는 메모리가 없이 프로세스 각각 메모리를 할당받기 때문이다.
• Context Switching에서의 오버헤드
  • Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 된다.
  • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
• 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
  • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다.
  • 다른 프로세스에 접근하기 위해 IPC를 사용해야 한다.

멀티 스레드

멀티 스레딩이란

• 하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
• 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있다.
• 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.

장점

• 시스템 자원 소모 감소 (자원의 효율성 증대)
  • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
• 자원 공유 용이
• 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
  • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
  • 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.
• 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
  • 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.

단점

• 주의 깊은 설계가 필요하다.
• 구현 및 테스트, 디버깅이 어렵다.
• 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.)
• 자원 공유로 인한 문제가 발생할 수 있다. <b<(동기화 문제)</b>
• 자식 스레드 중 하나에 문제가 생긴경우 전체 프로세스에 영향을 줄 수 있다.

어떤 상황에 멀티프로세스, 멀티스레드를 사용하면 좋은 것일까?

멀티스레드

• 일반적으로 멀티스레드를 많이 사용한다. (자원을 효율적으로 사용하고 성능이 좋기 때문)
• 스레드마다 존재하는 Stack영역을 제외한 나머지 메모리는 공유하므로 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.

• 메모리를 공유하므로 처리 비용 또한 감소하고 응답 시간 또한 빠르다. Context Switching 시간도 상당히 빠르다.

• 하지만, 오히려 메모리 공유로 인한 임계구역 문제 때문에 동기화 문제를 신경써야한다.
• 또한 하나의 스레드에 문제가 생긴다면 모든 프로세스에 문제가 생긴다.

멀티프로세스

• 멀티스레드가 메모리를 효율적으로 사용하고 성능이 빠르지만 안정성이 부족하다.
• 좀 더 안정적인 처리가 필요할 때 사용된다.
• 과거의 브라우저들은 탭을 멀티스레드 방식으로 지원하여 하나의 탭에 문제가 생기면 브라우저의 탭이 모두 종료되어 정보가 날라가곤 했다.
• 최신의 브라우저들은 (ex 크롬) 탭에 멀티프로세스 방식으로 지원해 하나의 탭이 문제가 생기더라도 다른 탭들에 문제가 없도록 하였다.

끝

프로세스와 스레드에 대해 알아보았습니다.

Reference

https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html

https://charlezz.medium.com/process%EC%99%80-thread-%EC%9D%B4%EC%95%BC%EA%B8%B0-5b96d0d43e37