2. 프로세스와 스레드 (Process vs Tread)

프로그램(Program)이란

"어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일"로써 생명력이 없으며 보조기억장치에 존재하며 실행되기를 기다리는 명령어와 정적인 데이터의 묶음이다.

프로세스(Process)란

의미

"메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)"로써 하드디스크에 저장 돼 있는 코드뭉치, 정적인 데이터가 메모리에 할당되어 생명력이 있는 프로세스가 된다. 즉 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위이며 실행된 프로그램을 의미한다.

 

스택: 복귀주소와 로컬 변수와 같은 임시적인 자료를 가진다.

데이터: 전역변수 수록

힙: 실행전에 동적으로 할당되는 메모리영역

함수 호출 시 스택/  동적할당 시 힙을 사용한다.

 

참고 할당받는 시스템 자원의 예

CPU 시간/ 운영되기 위해 필요한 주소 공간/ Code,Data,Stack,Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

 

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

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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 것이다. 따라서 스레드 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

 

멀티 프로세스, 멀티 테스킹, 멀티 스레드

멀티 프로세싱(Multi-processing)

멀티 프로세싱: 다수의 프로세서가 다수의 프로세스를 동시에 처리하는 것

멀티 프로그래밍: 다수의 프로세스를 메모리에 적재하여 프로세스를 번갈아가면서 처리하는 것

멀티 태스킹: 다수의 작업을 운영체제 스케줄링에 의해  번갈아가면서 처리하는 것

 

프로세서(Processor)는 CPU라고 생각하면 되며, 프로세스(Process)와 다른 개념이다.

각 프로세서는 다수의 프로세스를 처리하며, 각 프로세스는 다수의 프로세서에 의해 처리된다.

각 프로세서가 자원을 공유하면서 프로세스를 처리하기 때문에, 하나의 프로세서가 고장 나더라도 작업(JOB)은 정지되지 않는다. 즉, 여러 개의 프로세서가 작업을 병렬처리 하는 것으로 정의하는 것이 정확한 개념일 것이다.

멀티 프로세싱을 이용할 경우 여러개의 단일 프로세싱보다 비용이 절약될 수 있다. 이는 프로세서가 주변장치, 대용량 저장장치, 전원 공급장치를 서로 공유하고 있기 떄문이다. 만약 여러 프로그램이 동일한 데이터집합에 대해 연산을 한다면, 하나의 디스크에 데이터를 저장하고 모든 프로세서가 이들을 공유하게 하는 것이 좀 더 비용이 저렴하다.

 

또한 기능들이 여러 개의 프로세서에 적절히 분산된다면 한 프로세서가 고장나더라도 시스템이 정지하는 것이 아니라 단지 속도만 느려지게 된다. 10개의 프로세서 중에 1개가 고장나면 나머지 9개의 프로세서가 고장난 프로세서의 작업을 나누어 실행하게 되는데 이때 전체 시스템이 완전히 정지하는 것이 아니라 단지 10%정도 느려질 뿐이다. 이처럼 신뢰성도 증가하는 장점이 있다.

 

멀티 태스킹(Multi-tasking)

Task라는 개념은 프로세스의 개념보다 조금 확장된 개념이다. 이러한 Task가 하나의 프로세서 상에서 운영체제의 스케줄링 방식에 따라 조금씩 번갈아가면서 수행되는 것이 멀티태스킹의 개념이다. 빠른 속도로 조금씩 번갈아 가면서 Task들을 조금씩 처리하다보면 유저가 느끼기에는 마치 '동시'에 처리되는 것처럼 보이기 때문에 붙은 이름이다. 우리가 컴퓨터로 워드를 작성하면서 멜론 PC버전으로 노래를 들을 수 있는 것도 멀티 태스킹 때문이다.

 

멀티태스킹의 스케줄링 방식으로는

 

멀티프로그래밍 방식(Multi-programming), 시분할 방식(Time-sharing), 실시간 시스템 방식(Real-time) 등이 있다.

 

이러한 멀티태스킹은 두 종류로 나눌 수 있다.

하나는 비선점형 멀티태스킹, 나머지 하나는 선점형 멀티태스킹이다.

 

프로그램은 실행되면 프로세스가 되고 프로세스는 역시 여러 쓰레드를 실행시키는데 여러 프로그램에서 만들어지는 이 쓰레드는 CPU라는 한정된 자원을 서로 사용하고자 경쟁중인 관계에 있다. 그러므로 운영체제는 CPU의 시간을 나누어 여러 쓰레드들에게 돌아가며 실행하도록 하는데, 이 때 CPU를 차지하고 있는 쓰레드가 자신이 이제 CPU 연산이 필요 없음을 나타냈을 때에만 운영체제가 이를 회수할 수 있는 경우를 비선점형(Non-preemptive) 멀티태스킹이라고 한다. preemption이 '선점하다,빼앗다'의 의미이므로 non이 붙으면 '선점할 수 없는, 중간에 빼앗을 수 없는' 이라는 뜻으로 생각하면 쉽다.

 

반대로, 프로세스가 CPU를 차지해서 사용하더라도 운영체제가 타이머나 여타 트리거를 통해 개입하여 강제로 CPU 사용을 빼앗아 올 수 있는 경우를 선점형(Preemptive) 멀티태스킹이라고 한다.

 

쉽게 말해 운영체제가 응답없는 프로세스를 강제로 죽이고 다른프로세스를 실행할 수 있으면 선점형, 그게 안돼서 리셋을 해야만 하는 경우라면 비선점형이라고 할 수 있다. 선점형 멀티태스킹은 스케줄러에 따라 차이가 나긴 하지만, 원론적으로는 보통 시간을 따로 정해 놓고 이 시간마자 선점(Preemption)이 일어나는데, 이때의 시간 단위를 퀀텀 혹은 슬라이스라고 한다. 퀀텀이 너무 낮으면 프로세스를 바꾸는데 소모되는 리소스가 커지고, 퀀텀이 너무 높으면 반응 속도가 느려진다. 

 

멀티 스레딩(Multi-threading)

멀티 스레딩은 하나의 프로세스를 다수의 스레드로 구성하여 서로 자원을 공유하고, 이를 통해 자원을 효율적으로 사용하여 작업 처리 속도를 향상시키는 것이다.

각 스세드는 프로세스 내에 존재하며, 코드/데이터/힙 영역을 공유하면서 데이터를 주고받을 수 있다. 이러한 장점 때문에, 프로세스 간 통신(IPC)에 비해 통신 오버헤드가 적고 속도가 빠르다.

멀티 스레딩을 통해 시스템의 처리량이 향상되고, 자원 소모가 줄어들어 프로그램의 응답시간이 단축된다.

 

멀티스레딩의 문제점

자원을 고융하기 때문에, 다수의 스레드가 특정 자원을 동시에 사용하는 것을 고려해야 한다. 즉, 동기화 처리가 필요하다.

동기화를 통해 스레드의 작업 처리 순서와 공유 자원에 대한 접근을 제어해야 한다.

일반적으로 락(Lock)을 이용하여 동기화 처리를 하는데, 락이 과도하면 병목 현상이 발생하여 성능 저하를 유발할 수 있다.

 

멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이점

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

멀티 프로세싱의 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 Switching이란?

CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는데 이 과정을 Context Switching이라 한다. 구체적으로 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말한다.

 

멀티 스레딩의 장 단점

장점

시스템 자원 소모 감소(자원의 효율성 증대)

프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다. 멀티프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지한다.

 

시스템 처리량 증가(처리 비용 감소)

스레드간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원소모가 줄어들게 된다. 또한 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.

 

간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축

스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.

 

이러한 장점이 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유이기도 하다.

 

단점

주의 깊은 설계가 필요하다.

디버깅이 까다롭다.

단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다.

다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.)

멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다. (동기화 문제)

하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.