[운영체제] 프로세스와 스레드

프로그램이란?

사전적의미
    1. 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일
    2. 파일이 저장 장치에 저장되어 잇지만 메모리에는 올라가 잇지 않은 정적인 상태를 말한다.
        =>실행되기 전의 코드 덩어리 파일 => 정적인 상태

 

 

프로세스란?

• 사전적의미 -> 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램

• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)

• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위

• 즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미한다.

  => 프로그램의 실행하는 순간 해당 파일은 메모리에 올라가게된다.(이 상태가 동적인 상태)
  즉 다시 말해 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램이라고 보면 된다.

 

참고

• 할당받는 시스템 자원의 예시

  1. CPU사용을 허가받은 시간
  2. 운영되기 위해 필요한 주소공간
  3. code, data, stack, heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

 

특징

• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(code, data, stack, heap)을 할당받는다.
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
• 각 프로세스는 별도의 주소공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
• 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, Inter-process communication)을 사용해야한다.
  ex)파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용

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.
이 상황을 어떻게 해결 해야할까??

쉽게 떠오르는 방법은 한 프로그램을 위한 프로세스를 여러 개 만드는 것!
하지만 운영체제는 안정성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할단된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고
이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문에 불가능!!

그래서 나온 방법이 프로세스와는 다른 더 작은 실행 단위 개념을 사용하는 방법이며, 이 개념이 바로 스레드이다.

스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간의 메모리를 공유하며 작동한다.
위에서 프로그램을 코드 덩어리라고 했는데, 스레드도 코드에 비유하자면 코드내의 함수들이 될 수 있다.

 

 

 

 

 

스레드란?

 

 

사전적 의미
    1). 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
    2). 프로세스의 특정한 수행 경로
    3). 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

 

 

특징

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 stack만 따로 할당받고 code, data, heap영역은 공유한다.
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들을 같은 프로세스 내의 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 수있다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드도 그 변경 결과를 즉지 볼 수 있다.

 

 

 

 

멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이

 

멀티 프로세싱이란

 

 

하나의 응용프로그램을 여러개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(Task)을 처리하도록 하는 것이다.

 

 

장점

 

    1). 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지

        않는다.

 

 

단점

 

    1). context switching에서의 오버헤드
        - context switching과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드

          가 발생하게 된다.  
        - 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, 

           context switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야한다.  

 

    2). 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(ipc)
        - 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변

          수를 공유할 수 없다.(프로세스간의 통신이 어렵고 복잡한 이유)

 

 

 

 

 

 

멀티 스레딩이란?

• 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
• 윈도우, 리눅스 등 많은 웅영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고있다.
• 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.

 

 

장점

 

    1). 시스템 자원 소모감소(자원의 효율성 증대)

        - 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.

 

    2). 시스템 처리량 증가(처리 비용 감소)         

        - 스레드 간의 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.

        - 스레드 사이의 작업량이 작아 context switching이 빠르다.

 

    3). 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축

        - 스레드는 프로세스 내의 stack영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.

 

 

단점

 

1). 주의 깊은 설계가 필요하다.
2). 디버깅이 까다롭다.
3). 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다.
4). 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다,(즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다)
5). 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다.(동기화 문제)
6). 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.

 

 

 

 

 

 

 

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?

 

 

1. 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 것의 의미

        1).  쉽게 설명하면, 프로그램을 여러개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이다.

 

 

 

2. 멀티 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나눠가면서 하는 이유

 

    1). 자원의 효율성 증대

 

        - 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜 이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리 할 수 있다.
          =>프로세스 간의 context switching시 단순히 cpu레지스터 교체뿐 아니라 ram과 cpu사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문!

 

        - 스레드는 프로세스 내의 멤모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드간 데이터를 주고 받는 것 이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.

 

 

 

    2). 처리 비용감소 및 응답시간 단축

 

        - 또한 프로세스 간의 통신(ipc)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부단이 줄어든다.
           -> 스레드는 stack영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문

 

        - 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다
           => context switching시 스레드는 stack영역만 처리하기 때문

 

 

    3). 주의할 점

 

        - 동기화 문제(서로 다른 두개 이상의 스레드가 공유데이터를 조회하는것은 상관없지만, 접근할때 일어나는 문제)

 

        - 스레드간의 자원 공유는 전역 변수를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

참조:

gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html

 

brunch.co.kr/@kd4/3

 

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