프로세스와 스레드

2020-03-02

해당 Post는 프로세스와 쓰레드를 정리한 파일이다.

프로세스와

프로세스(Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU 의 할당을 받을 수 있는 것을 말합니다.

여기서 프로그램(Program)의 사전적인 뜻은 “어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일(예를들어, exe파일)이고

프로세스에는 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)를 뜻합니다.

간단히 말하자면 “컴퓨터가 어떤 일을 하고 있는 상태를 뜻합니다.”

프로세스의 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.

스레드(Thread)

스레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있습니다.

한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있습니다.

스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 그리고 스택으로 구성됩니다.

만약 이해가 잘 안 된다면 식당을 예시로 들 수 있습니다.
프로그램은 하나의 대형 음식점, 일을하는 요리사들이 메뉴 하나하나를 만드는걸 프로세스라고 생각합시다.
그렇다면 여기서 쓰레드는 그 음식을 만들어내는 과정중에 한가지라고 들 수 있습니다.(ex 햄버거 집이라면 패티굽기, 야채손질)

스레드의 특징

스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 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.

같은 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.

문맥전환(Context Switching)

여러 프로세스를 함께 돌리는 작업은 동시성(Concurrency)과 병렬성(Parallelism) 혹은 이 둘의 혼합으로 나누어집니다.

동시성은 프로세서 하나 또는 여러개가 일부분, 일부분씩 조금씩 진행을 하는 것 입니다.

이렇게 진행중인 작업을 전환하는 것을 Context Switching이라 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 프로세스와 멀티 스레드

멀티프로세스

하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(태스크)을 처리하도록 하는 것

장점

여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않는 점

단점

Context Switching에서의 오버헤드

Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생

프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없기 때문에
Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 하는 점

프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없습니다.

멀티 스레드

하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것

윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있습니다.

웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램

장점

  • 시스템 자원 소모 감소 (자원의 효율성 증대)
    프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.

  • 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.

  • 디버깅이 까다롭다.

  • 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다.

  • 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.)

  • 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다. (동기화 문제)

  • 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.