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 살펴보겠습니다
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.
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.
따라서 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.
(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.
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
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.
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.
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
같이 보면 좋을 자료
[바미] 프로세스와 커널에 대해 알아보자!
프로세스와 커널프로세스(Process)는 운영체제의 커널의 관리하에 현재 시스템에서 동작중인 프로그램, 실행 중인 프로그램의 인스턴스 인데 시스템 리소스(예: CPU, 메모리, 파일 등)를 할당받아
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