[운영체제] 프로세스와 스레드

프로세스(Process)란

컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램을 의미합니다.

메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)

운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위

동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미합니다.

 

할당 받는 시스템 자원으로는

cpu 시간

운영되기 위해 필요한 주소 공간

Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역이 있습니다.

 

프로세스의 특징

• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap)을 할당 받습니다.
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드를 가지고 있습니다.
• 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료 구조에 접근할 수 없습니다.
• 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 합니다.
  • Ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용
    
    

프로세스의 메모리 구조

• Code 영역 : 프로그램을 실행 시키는 실행 파일 내의 명령어들이 올라갑니다.(소스코드)
• Data 영역 : 전역변수, static 변수가 할당 됩니다. 프로그램의 시작과 함께 할당되며 프로그램이 종료되면 소멸합니다.
• Heap 영역 : 동적할당을 위한 메모리 영역입니다. 선입선출(FIFO, First-In First-Out)방식
• Stack 영역 : 지역변수, 매개변수가 저장되는 영역입니다. 함수의 호풀과 함께 할당되며 함수의 호출이 완료되면 소멸합니다. 후입선출(LIFO, Last-In, First-Out) 방식

 

스레드(Thread)란

프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위로

프로세스의 특정한 수행경로이며 프로세스가 할당 받은 자원을 이용하는 실행의 단위입니다.

 

스레드의 특징

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유합니다.
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행됩니다.
• 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없습니다.
• 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있습니다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있습니다.

 

멀티 프로세스와 멀티 스레드

멀티 프로세스

하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여

각 프로세스가 하나의 작업(태스크)을 처리하도록 하는 것입니다.

 

장점

여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면

그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않습니다.

 

단점

Context Switching에서의 오버헤드
Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고

많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 됩니다.

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 합니다.

프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에

하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없습니다.

 

Context Switching란?

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

멀티 스레드

하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것입니다.
윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있습니다.
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 있습니다.
시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠릅니다.
간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적습니다.

단점

주의 깊은 설계가 필요합니다.
디버깅이 까다롭습다.
단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵습니다.
다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없습니다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없습니다.)
멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생합니다. (동기화 문제)
하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받습니다.

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

쉽게 설명하면, 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것입니다.

여러 프로세스(멀티 프로세스)로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나눠가면서 하는 이유

1. 자원의 효율성 증대
   
   1. 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
      –> 프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문
   2. 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
      
      
2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
   1. 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어듭니다.
      –> 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문
   2. 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠릅니다.
      –> Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문
      
      

주의할 점

동기화 문제
스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있습니다.