프로세스

프로그램을 메모리 상에서 실행중인 작업

프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다. 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다. 구체적으로 살펴보면 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역 변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함한다. 또한, 프로세스는 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.

간단하게 프로세스는 프로그램을 실행 시켜 정적인 프로그램이 동적으로 변하며 프로그램이 실행 중인 상태를 말한다. 즉, 컴퓨터에서 작업 중인 프로그램을 의미하는 것이다.

프로세스 메모리 영역

• Code/Text 영역

  • 실행할 프로그램의 코드나 명령어들이 기계어 형태로 저장된 영역이다. CPU는 코드영역에 저장된 명령어들을 하나씩 처리한다.

• Data 영역

  • 코드에서 선언한 전역 변수와 정적 변수가 저장되는 영역이다. 프로그램이 실행되면서 할당되고 종료되면서 제거된다.
  • 초기화된 데이터는 Data 영역에 저장
  • 초기화 되지 않은 데이터는 bss 영역에 저장

• Stack 영역

  • 함수 안에서 선언된 지역변수, 매개변수, 리턴값들이 저장된다. 함수 호출시 기록되고 종료되면 제거된다.

• Heap 영역

  • 생성자, 인스턴스와 같은 동적으로 할당되는 데이터들을 위해 존재하는 공간, 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당되고 해제된다.

프로세스 자원 공유

기본적으로 각 프로세스는 메모리에 별도의 주소 공간에서 실행되기 때문에, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.

그럼에도 우리가 사용하는 대부분의 컴퓨터 프로그램을 보면 다른 프로그램에 있는 정보를 가져오는 경우를 볼 수 있는데, 이처럼 특별한 방법을 통해 프로세스가 다른 프로세스의 정보에 접근하는 것이 가능하다. 프로세스 간 정보를 공유하는 방법은 다음과 같다.

1. IPC(Inter-Process Communication)

2. LPC(Local inter-Process Communication)

3. 별도로 공유 메모리를 만들어서 정보를 주고받도록 설정

[OS] 프로세스 간 통신 방법

그러나 프로세스 자원 공유는 단순히 CPU 레지스터 교체뿐 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리까지 초기화되기 때문에 자원 부담이 크다는 단점이 있다. 그래서 다중 작업이 필요한 경우 스레드를 이용하는 것이 훨씬 효율적이다.

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

PCB는 특정 프로레스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조이다.

운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로레스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다. 프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 하는데, 이 때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료했던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

PCB에 저장되는 정보

• 프로세스 식별자(PID): 프로세스 식별 번호

• 프로세스 상태: new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장

• 프로그램 카운터: 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소

• CPU 레지스터

• CPU 스케쥴링 정보: 프로세스의 우선순위, 스케쥴 큐에 대한 포인터 등

• 메모리 관리 정보: 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함

• 입출력 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록

• 어카운팅 정보: 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등

스레드

프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위

스레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있다. 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다. 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 그리고 스택으로 구성된다. 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다.

하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 가지고 있다.

스레드의 자원 공유

프로세스의 4가지 메모리 영역(Code, Data, Heap, Stack) 중 스레드는 Stack만 할당받아 복사하고 Code, Data, Heap은 프로세스내의 다른 스레드들과 공유된다. 따라서 각각의 스레드는 별도의 Stack을 가지고 있지만 Heap 메모리는 고유하기 때문에 서로 다른 스레드에서 가져와 읽고 쓸 수 있게 된다.

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

스택은 함수 호출 시 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 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위해 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

PC Register를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

PC(program counter) 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타내게 된다. 스레드는 CPU를 할당 받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.

멀티 스레드

멀티 태스킹(멀티 프로세스)이란 하나의 운영체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것을 의미한다. 멀티 태스킹은 여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이지만, 자세한 원리는 그렇지 않다.

멀티 태스킹이 하나의 운영체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것이라면, 멀티 스레드는 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용해 동시에 처리하는 것을 의미한다.

멀티 스레딩의 장점

프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.

스레드 간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는 것이 아니라 전역 변수 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap 영역을 이용하여 데이터를 주고 받을 수 있다. 그렇기 때문에 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단하다. 심지어 스레드의 Context Switch는 프로세스 Context Switch와는 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠르다.

따라서 시스템의 처리율이 향상되고 자원소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램 응답 시간이 단축된다. 이러한 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠서 수행하는 것이다.

멀티 스레딩의 문제점

멀티 프로세스 기반으로 프로그래밍할 때는 프로세스 간 공유하는 자원이 없기 때문에 동일한 자원에 동시 접근하는 일이 없었지만 멀티 스레딩을 기반으로 프로그래밍할 때는 이 부분을 신경써줘야 한다. 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다. 스레드 하나가 프로세스 내 자원을 망쳐버린다면 모든 프로세스가 종료될 수 있다.

그렇기 때문에 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤하는 것이다. 하지만 이로 인해 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다. 그러므로 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 한다.

멀티 스레드 vs 멀티 프로세스

멀티 스레드는 멀티 프로세스 보다 적은 메모리 공간을 차지하고 Context Switch가 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 않고 있다.

반면 멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재한다.

이 두가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.

참고
완전히 정복하는 프로세스 vs 스레드 개념
[OS] 프로세스와 스레드의 차이
[운영체제] 프로세스와 스레드