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안녕하세요. 오늘은 프로세스와 스레드에 대해 이야기를 포스팅 해보려 합니다.

프로세스와 스레드에 대해 많이 들었지만 뒤돌아서면 까먹기 쉬운 CS 지식이 아닐까? 생각이 들어 저도 리마인드 할겸 포스팅해보게 되었습니다.

제목은 프로세스와 스레드를 썼지만 프로그램, 프로세스, 스레드와 관련된 기초적인 것들을 써보겠습니다.

 

프로세스(Process)와 스레드(Thread)

먼저 프로세스와 스레드가 무엇인지부터 살펴보죠.

 

프로세스(Process)란 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위를 의미합니다.

프로세스의 특징

1. 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.
2. 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
3. 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
4. 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 한다. ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용

 

스레드(Thread)란

"프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위"로써 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위라고 할 수 있다.

스레드의 특징

1. 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code,Data,Heap 영역은 공유한다.

2. 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.

3. 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.

4. 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.

5. 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드도(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

 

Q) 스택을 스레드마다 독립적으로 할당해야하는 이유는?

스택은 함수 호출시 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 것입니다.

라서 스레드 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당합니다.

 

이렇게 설명하면 무슨말인지 모르겠죠? 운영체제에 대한 기본 지식이 없다면 이렇게 들었을 때 무슨 말인지 쉽게 이해하기 힘듭니다.

 

우선 프로세스의 정의에서 '작업'이라는 단어와 스레드의 정의에서 '실행 흐름' 이라는 단어가 중요한데 이 단어를 기억해 두신 상태에서 이번 포스팅을 읽어보면 왜 그것들이 중요한지, 각 정의들에 대해 쉽게 이해하실겁니다.


프로그램 → 프로세스 → 스레드

프로그램 → 프로세스

프로세스와 스레드에 대해 본격적으로 설명하기 전 '프로그램'에 대해 알고 가셔야 합니다.

흔히 들어왔던 단어지만 프로그램이 뭐냐고 물을 때 선뜻 말 못하는 그 것이죠!

 

프로그램(Program)이란 "어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일"로써 생명력이 없으며 보조기억장치에 존재하며 실행되기를 기다리는 명령어와 정적인 데이터의 묶음입니다.

그러니까  파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태를 의미합니다.

 

여기서 '메모리에 올라가 있지 않은'과 '정적인 상태'를 아셔야 하는데요.

  • 메모리에 올라가 있지 않은 - 아직 운영체제가 프로그램에게 독립적인 메모리 공간을 할당해주지 않았다는 뜻입니다.
    모든 프로그램은 운영체제가 실행되기 위한 메모리 공간을 할당해 줘야 실행될 수 있죠.
  • 정적인 상태 -  정적(靜的)이라는 단어 그대로, 움직이지 않는 상태라는 뜻입니다.
    한 마디로 아직 실행되지 않고 가만히 있다는 뜻이죠.

간단하게 얘기하면 아직 실행되지 않은 파일을 가리키는 말인데 윈도우의 .exe파일, 맥OS의 .dmg파일 등등과 같이 사용자가 클릭해서 실행하기 전의 파일을 말합니다. 이것을 코드 덩어리라고 말하기도 합니다.

 

그럼 그 프로그램을 실행하는 순간 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 이 상태가 동적인 상태가 됩니다.

그리고 이 상태로 되어있는 프로그램을 프로세스라고 하죠.

 

다른 곳에서는 이것을 '실행되고 있는 컴퓨터 프로그램'이라고 정의를 내리고 있는데 프로세스 라는 단어가 작업 중인 프로그램을 의미하기 때문에 스케줄링 단계에서의 '작업'과 같은 단어라고 봐도 무방하다고 되어있습니다. 

출처 : velog.io/@raejoonee

(프로세스를 이해하기 쉽게 그린 이미지가 있어 가져왔습니다.)

여기까지 정리해보자면 프로그램은 코드 덩어리 파일이고, 그 프로그램을 실행한 게 프로세스입니다.


프로세스 → 스레드

과거에는 프로그램을 실행할 때 실행 시작부터 실행 끝까지 프로세스 하나만을 사용해서 진행했다고 합니다.

하지만 시간이 흐를수록 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기는 벅차게 되었죠.

실제로 이제는 프로그램 하나가 단순히 한 가지 작업만을 하는 경우는 없습니다. 이제 어떻게 해야하면 좋을까요?

쉽게 떠오르는 방법중에 "한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 되지 않을까?" 생각이 들 수 있지만

이는 불가능한 일이었습니다. 왜냐하면 운영체제는 안전성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문이죠.

그래서 프로세스와는 다른 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이 개념이 바로 스레드입니다.

프로세스가 진행되는 동안 스레드의 실행 과정 (By I, Cburnett, CC BY-SA 3.0)


스레드는 위에서 언급한 프로세스 특성의 한계를 해결하기 위해 만들어진 개념이기 때문에 스레드의 특성은 쉽게 유추해낼 수 있을 것입니다. 스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간 메모리를 공유하며 작동합니다.

스레드끼리 프로세스의 자원을 공유하면서 프로세스 실행 흐름의 일부가 되는 것이죠.

위에서 프로그램이 코드 덩어리라고 했는데, 스레드도 코드에 비유하자면 스레드는 코드 내에 선언된 함수들이 되고 따라서 main 함수 또한 일종의 스레드라고 볼 수 있게 되는 것이죠.

즉, 스레드는 프로세스의 코드에 정의된 절차에 따라 실행되는 특정한 수행 경로입니다.

 

 

프로세스와 스레드의 작동 방식

프로세스들이 운영체제로부터 별도의 메모리 영역을 할당받은 모습 (이미지 출처:  Heee's Development Blog )

이와 다르게 스레드는 메모리를 서로 공유할 수 있다고 언급했었죠? 이에 대해 더 자세히 설명하자면, 프로세스가 할당받은 메모리 영역 내에서 Stack 형식으로 할당된 메모리 영역은 따로 할당받고, 나머지 Code/Data/Heap 형식으로 할당된 메모리 영역을 공유하게 됩니다. 따라서 각각의 스레드는 별도의 스택을 가지고 있지만 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있게 되죠.

스레드들이 프로세스의 Code/Data/Heap 메모리 영역을 공유하는 모습 (이미지 출처:   Heee's Development Blog )

여기서 프로세스와 스레드의 중요한 차이를 하나 더 알 수 있게 됩니다. 만약 한 프로세스를 실행하다가 오류가 발생해서 프로세스가 강제로 종료된다면, 다른 프로세스에게 어떤 영향이 있을까요? 공유하고 있는 파일을 손상시키는 경우가 아니라면 아무런 영향을 주지 않지만 스레드의 경우는 다릅니다.

 

스레드는 Code/Data/Heap 메모리 영역의 내용을 공유하기 때문에 어떤 스레드 하나에서 오류가 발생한다면 같은 프로세스 내의 다른 스레드 모두가 강제로 종료됩니다.

본문에서 언급했듯 스레드를 코드(프로세스) 내에서의 함수(스레드)에 빗대어 표현해보면 이해하기 훨씬 쉬워집니다.

코딩을 해 본 경험이 있다면, 코드 내 어떤 함수 하나에서 Segmentation Fault 등의 오류가 발생한 경험이 있을 것입니다.

이 오류가 어떤 함수에서 발생했든 간에 해당 코드는 다른 함수 모두에 대한 작업을 중단하고 프로세스 실행을 끝내버립니다.

그렇다면 왜 이런 방식으로 메모리를 공유하는 걸까요?

스레드는 본문 맨 위에서 "흐름의 단위"라고 말했는데, 정확히는 CPU 입장에서의 최소 작업 단위가 됩니다.

CPU는 작업을 처리할 때 스레드를 최소 단위로 삼고 작업을 합니다.

반면 운영체제는 이렇게 작은 단위까지 직접 작업하지 않기 때문에 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위가 됩니다.

 

여기서 중요한 점은 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가진다는 점입니다.

운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위인데, 이 때문에 같은 프로세스 소속의 스레드끼리 메모리를 공유하지 않을 수 없죠.

그럼 멀티 태스킹, 멀티 스레드, 멀티 프로세스, 는 무엇일까요?

각각의 정의는 아래와 같습니다. 먼저 멀티 프로세스에 대해 

멀티 프로세스: 하나의 프로그램을 다수의 프로세서가 다수의 프로세스를 동시에 처리하는 것
멀티 스레드: 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용하여 동시에 처리하는 것
멀티 태스킹: 다수의 작업을 운영체제 스케줄링에 의해  번갈아가면서 처리하는 것

멀티 태스킹(Multi-tasking)

Task라는 개념은 프로세스의 개념보다 조금 확장된 개념입니다. 이러한 Task가 하나의 프로세서 상에서 운영체제의 스케줄링 방식에 따라 조금씩 번갈아가면서 수행되는 것이 멀티태스킹의 개념입니다.

 

빠른 속도로 조금씩 번갈아 가면서 Task들을 조금씩 처리하다보면 유저가 느끼기에는 마치 '동시'에 처리되는 것처럼 보이기 때문에 붙은 이름입니다. 우리가 컴퓨터로 워드를 작성하면서 멜론 PC버전으로 노래를 들을 수 있는 것도 멀티 태스킹 때문이죠.

멀티 프로세스(Multi-process)

하나의 프로그램을 다수의 프로세서가 다수의 프로세스를 동시에 처리하는 것을 의미합니다.

장점

  • 메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결.
  • 여러 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하여도 그 프로세스만 타격, 확산되지 않음.

단점

  • 각 프로세스가 독립된 메모리 영역 (Code, Data, Heap, Stack)을 가지고 있기 때문에 작업량이 많아지면 오버헤드가 발생함 (context switching)
  • 프로세스 간의 복잡한 통신 (IPC) 가 필요함.

💡 PCB (Process Control Block)
프로세스의 메타데이터들을 저장하는 블록, 프로세스 별로 존재하는 자료 구조 (linked list 로 구성)

멀티스레드 (Multi thread)

멀티스레드는 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용하여 동시에 처리하는 것을 의미합니다.

장점

  1. Context-Switching할 때 공유하고 있는 메모리만큼의 메모리 자원을 아낄 수 있다.
  2. 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적어서 응답 시간이 빠르다.
  3. 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.

이러한 장점이 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유이기도 합니다.

단점

  1. 주의 깊은 설계가 필요하다.
  2. 디버깅이 까다롭다.
  3. 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어려울 뿐만 아니라 스레드 하나가 프로세스 내 자원을 망쳐버린다면 모든 프로세스가 종료될 수 있다.
  4. 자원을 공유하기 때문에 필연적으로 동기화 문제가 발생할 수밖에 없다.
  5. 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.)
  6. 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.

프로세스 간의 Context-Switching 시에는 아래에서도 언급하겠지만 많은 자원 손실이 발생하게 됩니다.

그러나 스레드 간의 Context-Switching에서는 메모리를 공유하고 있는 만큼 부담을 덜 수 있죠.

멀티스레드의 장단점에서 꼭 짚고 넘어가야 할 점이 바로 Synchronization Issue라는 동기화 문제인데, 이에 대해 자세히 설명하면 

멀티스레드를 사용하면 각각의 스레드 중 어떤 것이 어떤 순서로 실행될 지 그 순서를 알 수 없습니다. 

만약 A 스레드가 어떤 자원을 사용하다가 B 스레드로 제어권이 넘어간 후 B 스레드가 해당 자원을 수정했을 때, 다시 제어권을 받은 A 스레드가 해당 자원에 접근하지 못하거나 바뀐 자원에 접근하게 되는 오류가 발생할 수 있게 되죠.

이 처럼 여러 스레드가 함께 전역 변수를 사용할 경우 발생할 수 있는 충돌을 동기화 문제라고 합니다.

스케줄링은 운영체제가 자동으로 해주지 않기 때문에 프로그래머가 적절한 기법을 직접 구현해야 하고, 디버깅 과정도 까다로워지므로 프로그래밍할 때 멀티스레드를 사용하려면 신중해야 합니다.

멀티프로세스 (Multi proccess)

하나의 프로그램을 다수의 프로세서가 다수의 프로세스를 동시에 처리하는 것을 의미합니다.

멀티 프로세스의 장 단점

장점

하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 미치지 않고 정상적으로 수행된다.

단점

Context Switching에서의 오버헤드

Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 된다. 또한 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching이 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다. 

 

멀티스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU시간을 차지한다.

 

프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)

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

 

💡Context Switching?

CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는데 이 과정을 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.

 

다른 프로세스의 정보에는 접근할 수 있을까요?

프로세스가 다른 프로세스의 정보에 접근하는 것은 가능합니다.

우리가 사용하는 대부분의 컴퓨터 프로그램을 생각해 보면 다른 프로그램에 있는 정보를 가져오는 경우는 심심치 않게 볼 수 있죠.

 

프로세스 간 정보를 공유하는 방법에는 다음과 같은 방법들이 있습니다만, 이 경우에는 단순히 CPU 레지스터 교체뿐만이 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리까지 초기화되기 때문에 앞서 말했듯 자원 부담이 커집니다.

  1. IPC(Inter-Process Communication)을 사용한다.
  2. LPC(Local inter-Process Communication)을 사용한다.
  3. 별도로 공유 메모리를 만들어서 정보를 주고받도록 설정해주면 된다.

멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이점

그럼 멀티 프로세스와 멀티 스레드에는 어떤 차이점이 있는지 알아봅시다.

 

멀티 프로세스: 독립적인 다수의 프로세스, 메모리 공간(코드, 데이터, 힙, 스택)을 공유하지 않음.

멀티 스레드: 하나의 프로세스 내에 존재하는 다수의 스레드, 메모리 공간(코드, 데이터, 힙)을 공유하지만, 스택 영역은 공유하지 않음

 

 

참조 

https://goodmilktea.tistory.com/24

By I, Cburnett, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2233446
b2connected
PaperCrafter
Heee's Development Blog
한국정보통신기술협회 IT 정보통신용어대사전

https://velog.io/@raejoonee/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4

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