OS의 가장 기본적인 개념 중 하나인 프로세스와 스레드를 알아보려고 합니다. . !
프로그램(Program)이란 ?
어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일입니다.
프로세스(Process)란 ?
컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램입니다.
- 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스 (독립적인 개체)
- 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
- 동적인 개념으로는 실행된 프로그램 의미
여기서 할당받는 시스템 자원에는 ?
- CPU 시간
- 운영되기 위해 필요한 주소 공간
- Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역
프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap 구조)을 할당 받습니다.
기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드를 가집니다.
각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없습니다.
한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야합니다.
ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법
스레드(Thread)란 ?
프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위입니다.
- 프로세스의 특정한 수행 경로
- 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위
스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고, Code, Data, Heap 영역은 공유합니다.
스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행됩니다.
같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유하는 반면 프로세스는 다른 프로세스와 공유하지 않으므로 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없습니다.
각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있습니다.
한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면 다른 이웃 스레드도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있습니다.
여기서 잠깐 !
Stack과 Heap의 차이점을 아시나요 ?
Stack
메모리의 스택 영역은 함수의 호출과 관계되는 지역 변수와 매개 변수가 저장되는 영역입니다.
스택 영역은 함수의 호출과 함께 할당되며 함수의 호출이 완료되면 소멸합니다.
이렇게 스택 영역에 저장되는 함수의 호출 정보를 스택 프레임이라고 합니다.
스택 영역은 푸시 동작으로 데이터를 저장하고, 팝 동작으로 데이터를 인출합니다.
이러한 스택은 후입선출(LIFO) 방식에 따라 동작하므로 가장 늦게 저장된 데이터가 가장 먼저 인출됩니다.
스택 영역은 메모리의 높은 주소에서 낮은 주소 방향으로 할당됩니다.
Heap
메모리의 힙 영역은 사용자가 직접 관리할 수 있고 그래야만 하는 메모리 영역입니다.
힙 영역은 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당되고 해제됩니다.
힙 영역은 메모리의 낮은 주소에서 높은 주소의 방향으로 할당됩니다.
| 장점 | Heap | |
| Stack | 빠른 엑세스 변수 명시적으로 할당 해제할 필요성 X |
스택 크기 제한 변수의 크기 조정 불가능 |
| Heap | 변수를 전역적으로 엑세스 가능 메모리 크기 제한 X |
느린 엑세스 메모리 관리 필요 |
실제로는 이런 프로세스 및 스레드가 여러 개 사용되겠죠 ? ?
멀티 프로세스와 멀티 스레드 개념 알아보러 갑시다 . . !
멀티 프로세스란 ?
하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것입니다.
장점
여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않습니다.
단점
1. ContextSwitching에서의 오버헤드
ContextSwitching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 됩니다.
프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어 Context Switching이 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 합니다.
ContextSwitching이란 ?
CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는데 이 과정을 ContextSwitching이라고 합니다.
구체적으로 동작 중인 프로세스가 대기를 하며 해당 프로세스의 상태를 보관하고
대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말합니다.
이 때, CPU는 아무런 일도 하지 않으므로 잦은 ContextSwitching은 성능저하를 일으킬 수 있습니다.
2. 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없습니다.
멀티 스레딩이란 ?
하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것입니다.
윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있습니다.
웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램 중 하나입니다.
장점
1. 시스템 자원 소모 감소
프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
2. 시스템 처리량 증가
스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠릅니다.
3. 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하므로 통신의 부담이 적습니다.
단점
- 주의 깊은 설계 필요
- 디버깅 까다로움
- 단일 프로세스 시스템의 경우 효과 기대하기 어려움
- 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없음 (프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없음 )
- 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제 발생 (동기화 문제)
- 하나의 스레드에 문제 발생 시 전체 프로세스가 영향을 받음
멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유는 ?!
멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용한다는 것의 의미는 쉽게 설명하자면 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결한다는 것입니다.
그렇다면 여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나눠가며 하는 이유는 무엇일까요 ?
1. 자원의 효율성 증대
멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
이 때, 왜 시스템 콜이 줄어들까요 ?
프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라
RAM과 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문입니다.스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 프로세스 간의 통신보다 스레드 간의 통신 비용이 적으므로 작업들 간의 통신 부담이 줄어듭니다.
Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문에 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠릅니다.
여기서 주의할 점 !
스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 사용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있습니다.
참고
https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html
https://junghyun100.github.io/%ED%9E%99-%EC%8A%A4%ED%83%9D%EC%B0%A8%EC%9D%B4%EC%A0%90/
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