[CS] 프로세스와 스레드

프로그램(Program)

• 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일
• 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태 (모든 프로그램은 운영체제가 실행되기 위한 메모리 공간을 할당해 줘야 실행될 수 있음.)

📌 실행되기 전에는 메모리에 할당이 되지 않은 정적인 코드 및 데이터의 묶음 → 윈도우의 exe 파일 or 맥의 dmg 파일 등 사용자가 눌러서 실행하기 전의 파일들

프로세스(Process)

• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램
• 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미
• 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위
  • CPU 시간 (일반적으로 CPU는 한번에 하나의 프로세스만 관리할 수 있음)
  • 멀티태스킹은 한번에 다수의 프로세스를 실행하고 있는 것이 아니고 사용자로 하여금 다수의 프로세스가 동시에 실행되는 것 ‘처럼’ 보이게 만드는 것.
  • → 즉, CPU가 빠른 시간 동안 각각의 프로세스를 순차적으로 실행하는 것
  • 운영되기 위해 필요한 주소 공간
  • Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당 받음
  • Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역 (프로그램 명령)
  • Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등
    • 초기화된 데이터는 data 영역에 저장
    • 초기화되지 않은 데이터는 bss영역에 저장
  • Heap : 동적 할당 시 사용 (new(), malloc() 등)
  • Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값 (임시 메모리 영역)
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있음
• 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없음
• 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, Inter-Process Communication)을 사용해야 함. (Ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용)

멀티프로세스

• 하나의 프로그램을 여러개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 병렬적으로 작업을 수행하는 것
• 장점 : 안전성 (메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결)
• 단점 : 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있어, 작업량이 많을 수록 오버헤드 발생. Context Switching으로 이한 성능 저하

📌 Context Switching ? : 프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정 즉, 동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순번의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스 상태를 복구하는 과정을 말함 → 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받아 사용되므로, 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 문제가 존재함

스레드(Thread)

• 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위
• CPU 이용의 기본 단위

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

📌 레지스터 ? : 컴퓨터의 프로세서 내에서 자료를 보관하는 아주 빠른 기억장소 : 메모리 계층의 최상위에 위치하며, 가장 빠른 속도로 접근 가능한 메모리

📌 스택 ? : CPU 내부의 레지스터 집합에 존재하는 저장장치 : 데이터가 순차적으로 저장되며, 요소의 갯수와 스택의 길이는 가변적. 한 번에 하나의 요소에만 액세스가 가능

1. 싱글스레드
   1. 하나의 프로세스에서 하나의 스레드 실행
   2. 하나의 레지스터와 스택으로 표현
   3. 요청에 대한 빠른 반응을 요구하는 네트워크 서버의 프로그램일 경우 단일 스레드 모델이 더 적합

• 장점
  • 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 됨
    • 여러 개의 스레드가 공유된 자원을 사용할 경우 각 스레드가 원하는 결과를 얻게 하려면 공용 자원에 대한 접근이 통제되어야 하며, 이 작업은 프로그래머에게 많은 노력을 요구하고 비용을 발생시킴. 단일 스레드 모델에서는 이러한 작업이 필요하지 않음
  • 문맥 교환(Context Switching) 작업을 요구하지 않음
• 단점
  • 한 번에 하나의 일밖에 처리할 수 없기 때문에 작업에서 블로킹이 발생하면 다음 일을 처리하기까지 기다려야 하는 문제가 발생

1. 멀티스레드
   1. 프로그램을 다수의 실행 단위로 나누어 실행
   2. 프로세스 내에서 자원을 공유하여 자원생성과 관리의 중복을 최소화
   3. 서버가 많은 요청을 효율적으로 수행할 수 있는 환경을 제공
   4. 각각의 스레드가 고유의 레지스터와 스택으로 표현됨
   5. 다양한 요인들이 결합된 데이터에 대한 통계적 분석 연산의 경우는 멀티 스레드 모델이 더 적합
   6. 필요한 구간에 여러 개의 스레드를 배치해 시스템 자원을 최대한 활용하여 빠르게 연산을 완료하도록 설계할 수 있음

• 장점
  • 응답성 : 프로그램의 일부분(스레드)이 중단되거나 긴 작업을 수행하더라도 프로그램의 수행이 계속 되어 사용자에 대한 응답성이 증가 함.
  • Ex) 멀티 스레드가 적용된 웹 브라우저 프로그램에서 하나의 스레드가 이미지 파일을 로드하고 있는 동안, 다른 스레드에서 사용자와 상호작용 가능
  • 경제성 : 프로세스 내 자원들과 메모리를 공유하기 때문에 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어듦. 스레드 간 통신이 필요한 경우에도 쉽게 데이터를 주고 받을 수 있으며, 스레드 간의 context switching은 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠름.
  • 멀티프로세서 활용 : 다중 CPU 구조에서는 각각의 스레드가 다른 프로세서에서 병렬로 수행될 수 있으므로 병렬성이 증가함
  • 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적어서 응답시간이 빠름
• 단점
  • 임계 영역(Critical Section) → 둘 이상의 스레드가 동시에 실행하면 문제를 일으키는 코드 블록.
    • 공유하는 자원에 동시에 접근하는 경우, 프로세스와는 달리 스레드는 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있음. 따라서 동기화가 필요.
  • 동기화를 통해 스레드의 작업 처리 순서와 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤할 수 있음
    • Java에서 Synchronized 키워드 → 불필요한 부분까지 동기화를 하는 경우, 과도한 lock으로 인해 병목 현상을 발생시켜 성능이 저하될 가능성이 높기 때문에 주의해야함.