[OS] 프로세스와 스레드, 멀티 프로세스와 멀티 스레드 설명, 차이, 예상질문

프로그램(Program)

어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일

프로그램을 실행하면 프로세스가 된다.

프로세스(Process)

컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램
메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스
운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위

Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역 프로그램 명령
Data : 전역 변수, 정적 변수, 배열 등 초기화된 데이터
Heap : 동적 할당 시 사용 new(), mallock() 등
Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값 임시 메모리 영역

• 기본적으로 프로세스당 메인 스레드를 포함하여 최소 1개의 스레드를 소유한다.
• 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)을 사용해야 한다. IPC : 파이프, 파일, 소켓 등

프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)

특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조이다.

운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다.
프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게 된다.
그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

PCB에 저장되는 정보

프로세스 식별자(Process ID, PID) : 프로세스 식별번호
프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장
프로그램 카운터 : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
CPU 스케쥴링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정 번호 등
CPU 레지스터

프로세스 → 스레드

과거에는 프로그램을 실행할 때 하나의 프로세스만 사용했다.
시간이 흐를수록 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나 만으로 프로그램을 실행하기에는 벅차게 되었다.

그래서 "한 프로그램을 처리하기 위해 프로세스를 여러 개 만들면 되지 않을까?" 생각했지만 불가능한 일이었다.
운영체제는 안전성을 위해 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문이다.

따라서 프로세스와는 다른 더 작은 실행 단위 개념이 필요했고, 그것이 바로 스레드다.

스레드(Thread)

프로세스의 특정한 수행 경로
프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위
프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
• 각각의 스레드는 별도의 레지스터를 가지고 있다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소 값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이다.
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 Register를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

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

Process VS Thread

프로세스는 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용하지만, 스레드는 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용한다.

자바 스레드(Java Thread)

자바에는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재한다.
자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄 되는 실행 단위 코드 블록이다.

JVM이 관리하는 정보

• 스레드 개수
• 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치
• 스레드 상태
• 스레드 우선순위

멀티 프로세스

하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것

장점

** 메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결하므로 안전하다.**

• 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽이면 되기 때문에 영향이 다른 프로세스로 확산되지 않는다.

단점

각각 독립된 메모리 영역을 가지고 있어 작업량이 많을수록 오버헤드가 발생한다.

• Context Switching으로 인한 성능 저하
• Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생한다.
• 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없기 때문에, Context Switching이 발생하면 캐시에 있는 모든 데이터를 리셋하고 다시 캐시 정보를 불러와야 한다.
• 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다.

Context Switching

• 멀티 프로세스 환경에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 과정
• CPU 스케줄러가 인터럽트 발생 시 현재 프로세스의 상태를 PCB(process control block)에 저장하고, 새로운 프로세스의 상태를 레지스터에 저장하는 것을 말한다.
• 동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태 Context를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업이다.

인터럽트 종류

• I/O Request : 입출력 요청
• Time Slice Expired : CPU 사용시간 만료
• Fork Child : 자식 프로세스 생성
• Wait for interrupt : 인터럽트 처리 대기

콘텍스트 스위칭 시 CPU는 아무런 작업을 하지 못한다. 따라서 잦은 콘텍스트 스위칭은 성능 저하를 일으킨다.

멀티 스레드

하나의 응용 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.

장점

• 시스템 자원 소모가 감소 ➡ 자원의 효율성 증대
• 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
• 변수와 정적 변수에 대한 자료 공유 가능
• 시스템 처리량이 증가 ➡ 처리 비용 감소
• 스레드 간 데이터를 주고받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어든다.
• 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.
• 간단한 통신 방법 ➡ 프로그램 응답 시간 단축
• 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.

단점

• 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.
• 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다.
• 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다. 동기화 문제

멀티 스레드의 안전성에 대한 단점은 Critical Section 기법을 통해 대비한다.
Critical Section
개념적 : 공유 변수를 함께 이용하는 구간
기능적 : 프로세스 하나에 포함된 여러 개의 스레드가 공유 리소스에 접근할 때 배타적 제어를 하기 위한 구조

멀티 스레드 동기와 비동기

해야 할 일(task)이 빨래, 설거지, 청소 세 가지가 있다고 가정한다.
이 일들을 동기적으로 처리한다면 빨래를 하고 설거지를 하고 청소를 한다.
비동기적으로 일을 처리한다면 빨래하는 업체에게 빨래를 시키고, 설거지 대행업체에 설거지를 시키고, 청소 대행업체에 청소를 시킨다. 셋 중 어떤 것이 먼저 완료될지는 알 수 없다.
일을 모두 마친 업체는 나에게 알려주기로 했으니 나는 다른 작업을 할 수 있다.
이 때는 백그라운드 스레드에서 해당 작업을 처리하는 경우의 비동기를 의미한다.

동기적 실행 : 서브루틴 간의 명백한 실행 순서가 존재한다.

비동기적 실행 : 서브루틴 간의 명확한 실행 순서가 존재하지 않는다.
이러한 경우에는 서브루틴이 완료되었다는 것을 전달하기 위해 callback 패턴을 사용한다.

멀티 스레드 vs 멀티 프로세스

멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 안고 있다.

멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재한다.

이 두 가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

멀티 스레드는 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이다.

1. 자원의 효율성 증대

• 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
• 프로세스 간의 Context Switching에서는 단순히 CPU 레지스터 교체뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크다.
• 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.

2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축

• 프로세스 간의 통신 IPC 보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다.
• 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문이다.
• 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
• Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리한다.

주의할 점 : 동기화 문제

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

예상 질문

프로세스와 스레드의 차이에 대해 설명하세요

프로세스는 Code, Data, Stack, Heap 형식으로 할당해 줍니다. 각각 독립된 메모리 영역을 할당해주기 때문에 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료에 접근할 수 없습니다.

이와 다르게 스레드는 메모리를 서로 공유합니다. 프로세스가 할당받은 메모리 영역 내에서 Stack 형식으로 할당된 메모리 영역은 따로 할당받고, 나머지 Code, Data, Heap 영역은 공유합니다.

프로세스는 실행하다가 강제 종료된다면, 다른 프로세스에게 아무런 영향을 주지 않는다.
스레드의 경우에는 메모리 영역의 내용을 공유하기 때문에 한 스레드에서 오류가 발생해서 강제 종료한다면 같은 프로세스 내 다른 스레드 모두 강제 종료된다.

왜 스레드는 메모리를 공유할까요?

스레드는 흐름의 단위라고 하지만 정확히는 CPU 입장에서 최소 작업 단위입니다.
반면 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위가 됩니다.

여기서 중요한 점은 하나의 프로세스에는 하나 이상의 스레드를 갖는다는 것입니다. 따라서 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위인데, 이 때문에 같은 프로세스 소속의 스레드끼리 메모리를 공유하지 않을 수 없습니다.

참고 사이트

프로세스와 스레드 차이
프로세스와 스레드
Critical Section
프로세스와 스레드
운영체제 정리