프로세스 & 스레드

프로그램(Program)

• 특정 작업을 위한 명령문의 집합으로, 정적인 파일로 기기 내 저장공간에 저장되어있지만 메모리에 올라가있지 않은 실행 가능한 파일

프로세서(Processor)

• CPU, 그래픽 프로세서, 입출력 프로세서와 같은 하드웨어 처리기를 뜻한다.
• 예전의 컴퓨터는 한번에 하나의 동작밖에 수행하지 못했지만, 다중 작업을 가능하게 하는 멀티태스킹 기능이 나오면서 여러 프로세스를 함께 돌리는 것이 가능해졌다.

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프로세스(Process)

• 메모리에 올라와 실행 중인 프로그램 인스턴스(개별요소)이다. 프로그램의 실행 단위라고 할 수 있다.
• 프로그램이 실행되면 메모리에 올라가고 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는다.
  • 시스템 자원 : CPU 시간, 주소 공간, Code, Data, Heap, Stack의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역
• 기본적으로 프로세스마다 최소 1개의 스레드를 갖는다.
• 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없으며, 접근을 위해서는 IPC 통신이 필요하다.
  • IPC : 프로세스들 사이에 서로 데이터를 주고 받는 행위.
    • ex)파이프, 파일, 소켓, 메시지큐

프로세스 메모리 영역

• 코드(Code): 프로세스 코드(사용자가 작성한 코드, 라이브러리 함수 코드)가 적재되는 영역
• 데이터(Data): 프로세스의 전역 변수들과 정적(static) 변수들이 적재되는 영역
• 힙(Heap): 프로세스가 실행 중에 동적 할당받는 영역
• 스택(Stack): 함수가 호출될 때 지역변수, 매개변수, 함수로부터 돌아갈 주소 등이 저장되는 영역

프로세스 제어 블록 (Procsess Control Block, PCB)

• 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 커널 내의 자료구조
• OS는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다.
• 프로세스는 CPU를 할당 받아 작업을 처리하다 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 한다.
• 이때 작업의 진행 상황을 PCB에 저장한다. 다시 CPU를 할당 받게 되면 PCB에 저장되었던 내용을 불러와 종료되었던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

프로세스 문제점

• 프로세스를 실행 단위로 하는 멀티태스킹은 프로세스 생성과 컨텍스트 스위칭의 오버헤드가 크다.
• 프로세스가 통신에 어려움이 있어 비효율적이다.
  • Context Switching : 실행 중인 프로세스를 중단시키고 다른 프로세스를 실행시키는 것
  • OverHead : 어떤 처리를 하기 위해 들어가는 간접적인 처리 시간, 메모리 등을 말한다.

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스레드(Thread)

• 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있으며, 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름
• 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다.

• 스레드는 프로세스 내의 Code, Data, Heap 영역은 다른 스레드와 공유하고 Stack 영역을 따로 할당받는다.
• 여러 스레드는 한 프로세스 내의 Code, Data, Heap 영역을 공유하지만, 프로세스 간에는 메모리에 접근할 수 없다.
• 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있으며, 다른 영역을 공유한다.
• 한 스레드가 프로세스의 자원을 변경하면, 다른 스레드도 그 변경 결과를 즉시 확인할 수 있다.

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멀티 프로세스 (Multi Process)

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

• 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않는다.(안정성)
• Context Switching에서의 오버헤드
  • 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 공유하는 메모리가 없다
  • 캐시 메모리 초기화 등의 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생할 문제가 있다.
• 프로세스 간 통신 기법 IPC
  • 독립된 메모리 영역을 할당 받았기 때문에 프로세스들 사이에서 변수나 자료구조를 공유할 수 없다.
  • IPC라는 방법을 사용해서 프로세스 간의 통신이 가능하지만 이는 어렵고 복잡한 통신 방법이다.

멀티 스레드 (Multi Thread)

하나의 응용 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것.

• 윈도우, 리눅스 등 많은 OS들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만, 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있다.
• 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.
• 장점
  • 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
  • 스레드 간 통신시, 전역 변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap 영역을 이용해 데이터를 주고 받으므로 통신 방법이 간단하다.
  • Context Switching 시, 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 비용도 적고 더 빠르다.
  • 시스템의 처리량이 향상되고 자원 소모가 줄어들며, 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축된다.
• 단점
  • 서로 다른 스레드가 Data, Heap 영역 등을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다. 즉, 자원 공유의 문제가 발생한다.(동기화)
  • 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스가 영향을 받는다.
  • 주의 깊은 설계가 필요하며, 디버깅이 까다롭다.

멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

• 멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 Context Switching이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 가지고 있다.
• 반면, 멀티 프로세싱 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 있다.
• 이 두 가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다.
• 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.

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Q. 스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

• 스택은 함수 호출시 전달되는 인자, 복귀 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간.
• 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능함을 의미하고, 이는 독립적인 실행 흐름이 추가된다는 것
• 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당하는 것

Q. PC 레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

• PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행했는지를 나타내게 된다.
• 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점 당한다.
• 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다.

Q. 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

• 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이 더 효율적이기 때문.
• 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
• Context Switching시, 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 비용이 적고 더 빠르다.
  • 스레드는 Stack 영역만 초기화하면 되기 때문.
• 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 데이터 전달이 간단하므로 IPC에 비해 비용이 적고 빠르다.
  • 스레드는 프로세스의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유한다.

Q. Thread-Safe

• 멀티 스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 하나의 객체 및 변수(공유자원)에 접근할 때, 의도한 대로 동작하는 것을 말한다.
• Thread-safe 하게 구현하기
  • 공유 자원에 접근하는 임계영역을 동기화 기법으로 제어해줘야 한다. 이를 상호배제라고 한다.
  • 동기화 기법으로는 뮤텍스 세마포어가 존재한다.
• Reentrant
  • 재진입성이라는 의미로, 어떤 함수가 Reentrant하다는 것은 여러 스레드가 동시에 접근해도 언제나 같은 실행 결과를 보장한다는 의미이다.
  • Reentrant하다면 Thread-safe하지만 그 역은 성립하지 않는다.