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프로세스와 스레드

프로세스(Process)

• 컴퓨터에서 연속적으로 실행 되고 있는 프로그램을 의미 한다.
• 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU에 할당을 받은 작업의 단위.
• 운영체제로부터 시스템 자원(주소 공간, CPU 시간, 파일, 메모리 등)을 할당 받는다.

프로세스의 특징

• 프로세스마다 최소 1개의 스레드를 갖는다.(이 하나의 스레드는 메인 스레드다.)
• 그림처럼 각각 별도의 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap 주소 공간)을 할당 받는다.
• 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없으며, 접근하려면 IPC(Inter-Process Communicaiton)를 사용해야 한다. (파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용)

스레드(Thread)

• 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름
• 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다. -> 한 스레드가 프로세스의 자원을 변경하면 다른 스레드도 그 변경 결과를 즉시 확인할 수 있다.
• 프로세스 내의 다른 영역은 공유하고 Stack 영역만 따로 할당받는다. -> 원칙적으로 다른 쓰레드의 Stack은 접근 불가능하다.
• 쓰레드의 구성 요소 : ID, PC(Program Counter), 레지스터, 스택

위에 그림은 대략적으로 구조를 나타낸 것이고, 자세하게 주소값을 다뤄보면서 살펴보면 아래 그림과 같다.

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

PC Register 를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다. 스레드는 CPU 를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.

멀티 프로세스와 멀티 스레드

멀티 프로세스(Multi Process)

• 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성 -> 하나의 프로세스가 하나의 작업을 처리한다.

장점

• 여러 개의 프로세스 중 한 프로세스가 죽는다고 해서 다른 프로세스에 영향이 가지 않는다. (안전성이 높다)

단점

• 작업량이 많을 수록 Context Switching으로 인한 성능 저하, 오버헤드 많이 발생(공유 자원이 없으므로 캐시 초기화와 같은 무거운 작업을 계속 해줘야 한다.)

멀티 스레드(Multi Thread)

• 하나의 응용프로그램을 하나의 프로세스, 여러 개의 스레드로 구성 -> 하나의 스레드가 하나의 작업을 처리한다.

장점

• 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
• 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.
• 프로세스 내의 Stack을 제외한 모든 메모리 공유 -> 통신 부담이 적다.

단점

• 자원 공유의 문제(동기화 문제)가 존재한다.
• 하나의 스레드에 문제가 발생하면 나머지 스레드도 작동이 불가능하다. (스레드 문제가 발생 -> 하나의 프로세스가 영향을 받음)

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

앞에 장단점과 중복되는 내용이 있지만,

• 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 System Call이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
• Context Switching 시, 캐시 메모리를 비울 필요가 없어 비용이 적고 더 빠르다.
• 서로 간의 데이터 전달이 훨씬 간단하다. -> 비용이 적고 빠르다.

Context Switching 과 멀티 스레드의 자원 공유 문제를 해결하기 위한 Critical Region에 대한 내용을 바로 다음에 다뤄보도록 해야겠다.