[OS] 프로세스 vs 스레드

프로그램

프로그램이란, 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태를 말한다.

프로세스

• 메모리에 적재되어 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
  • 프로그램 : 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일
• 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위

특징

• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
• 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, inter-process communication)을 사용해야 한다.
  • Ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용
• 한 프로세스를 실행하다가 오류가 발생해서 프로세스가 강제로 종료되어도 파일을 손상시키는 경우가 아니라면, 다른 프로세스에게 아무런 영향을 주지 않는다.

과거에는 프로그램을 실행할 때 실행 시작부터 실행 끝까지 프로세스 하나만을 사용해서 진행했다고 한다. 하지만 시간이 흐를수록 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기는 벅차게 되었다. 실제로 이제는 프로그램 하나가 단순히 한 가지 작업만을 하는 경우는 없다. 그러면 이제 어떻게 해야할까?

쉽게 떠오르는 방법은, "한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 되지 않을까?" 생각이 들지만 이는 불가능한 일이었다. 왜냐하면 운영체제는 안전성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문이다.

아무튼 프로세스와는 다른 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이 개념이 바로 스레드다.

 

스레드

• 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
• 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위

특징

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
• 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
• 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.
• 스레드는 Code, Data, Heap 메모리 영역이 내용을 공유하기 때문에 어떤 스레드 하나에서 오류가 발생한다면 같은 프로세스 내의 다른 스레드 모두가 강제로 종료된다.

 

멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

멀티 프로세스가 여러 CPU를 장착하여 하나 이상의 프로세스들을 동시에 처리(병렬)하는 것이라면,
멀티스레드는 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용하여 동시에 처리하는 것을 의미한다.

멀티 프로세스 장점

1. 안전성 (메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결)

멀티 프로세스 단점

1. 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있어, 작업량 많을 수록 오버헤드 발생.
2. Context Switching으로 인한 성능 저하

멀티 스레드의 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.

멀티 스레드의 단점

1. 스레드 하나가 프로세스 내 자원을 망쳐버린다면 모든 프로세스가 종료될 수 있다.
2. 안정성 (자원을 공유하기 때문에 필연적으로 동기화 문제가 발생할 수밖에 없다.)
   • 멀티 스레드의 안정성에 대한 단점은 Critical Section(임계 영역) 기법을 통해 대비함
   • 하나의 스레드가 공유 데이터 값을 변경하는 시점에 다른 스레드가 그 값을 읽으려 할 때 발생하는 문제를 해결하기 위한 동기화 과정
   • 상호 배제, 진행, 한정 대기를 충족해야 함

Context Switching이란?

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 말한다.
→ 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받아 사용되므로, 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 문제가 존재한다.

 

정리

프로세스는 운영체제 관점에서 최소 작업 단위
스레드는 CPU 입장에서의 최소 작업 단위

프로세스와 스레드는 개념의 범위부터 다르다. 스레드는 프로세스 안에 포함되어 있기 때문이다.

• 운영체제가 프로세스에게 Code/Data/Stack/Heap 메모리 영역을 할당해 주고 최소 작업 단위로 삼는 반면,
  스레드는 프로세스 내에서 Stack 메모리 영역을 제외한 다른 메모리 영역을 같은 프로세스 내 다른 스레드와 공유한다.
• 프로세스는 다른 프로세스와 정보를 공유하려면 IPC를 사용하는 등의 번거로운 과정을 거쳐야 하지만,
  스레드는 기본 구조 자체가 메모리를 공유하는 구조이기 때문에 다른 스레드와 정보 공유가 쉽다.
  • 때문에 멀티 프로세싱보다 멀티스레드가 자원을 아낄 수 있게 된다.
• 다만 스레드의 스케줄링은 운영체제가 처리하지 않기 때문에 프로그래머가 직접 동기화 문제에 대응할 수 있어야 한다.

 

참고

• https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html
• 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
• https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/Process%20vs%20Thread.html