동시성 제어 C pthread를 배워보자 - 2일차 process와 thread의 차이

1. process와 thread의 차이

https://www.youtube.com/watch?v=IKG1P4rgm54&list=PLfqABt5AS4FmuQf70psXrsMLEDQXNkLq2&index=2

정말 좋은 영상이 있어, 해당 내용을 정리하여 동시성 프로그래밍을 정리하려고 한다.

먼저 parent process에서 child process를 만드는 fork()를 통해 프로세스의 특징을 알아보자.

• process

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

int main(int argc, char* argv[]){
    int pid = fork();
    if(pid == -1){
        return -1;
    }
    printf("Process id %d\n", getpid());
    if(pid != 0){
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

위 코드는 parent process가 fork를 통해서 child process를 생성해내고, getpid()를 통해서 이들 간의 pid를 비교하는 것이다. 참고로 pid는 process id로 프로세스의 고유한 번호이다.

if(pid != 0){
    wait(NULL);
}

위 코드는 parent process의 동작을 block시키는 코드이다. fork시에는 child process가 동일하게 main코드를 동작시키는데, 이때 child process는 새로운 child를 생성하지 않고, 자기 자신이 child이기 떄문에 0을 리턴한다.

그래서, pid != 0이면 parent process를 말하는 것이고, 이 조건문 안의 wait(NULL)이 실행되면 parent process는 block되어, child process가 끝날 때까지 가디리게 된다. child process가 동작을 완료하면, 그제서야 block이 풀리고 parent process가 동작하게 된다.

위 코드를 빌드하여 실행해보면

gcc -o process.o  process.c; process.o

Process id 1802
Process id 1803

다음과 같은 결과가 나온다. 첫번째로 나온것이 parent process의 pid이고, 두번째가 child process의 pid이다. 따라서, 이들은 서로 다른 완전히 독립적인 프로세스를 구동하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

그렇다면 thread의 경우에는 어떻게 process id가 형성되는 지 알아보자.

• thread.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

void* routine(){
    printf("Process id %d\n", getpid());
}

int main(int argc,char *argv[]){
    printf("Process id %d\n", getpid());
    pthread_t t1, t2;
    if(pthread_create(&t1, NULL, &routine, NULL)){
        return 1;
    }
    if(pthread_create(&t2, NULL, &routine, NULL)){
        return 2;
    }
    if(pthread_join(t1, NULL)){
        return 3;
    }
    if(pthread_join(t2, NULL)){
        return 3;
    }
    return 0;
}

pthread_t t1, t2;로 thread_id 두 개를 만들어 놓고,

if(pthread_create(&t1, NULL, &routine, NULL)){
    return 1;
}
if(pthread_create(&t2, NULL, &routine, NULL)){
    return 2;
}

두 개의 thread를 나란히 실행하는 코드이다. 이때 pthread_join를 통해서 현재의 process와 join을 해주어야 한다. 이렇게 해주지 않으면, thread가 실행을 완료하기도 전에 process가 실행을 끝내버려 결과를 확인하지 못한다. 즉, process가 main코드를 전부 실행하기 전까지 thread가 실행이 완료되지 못하는 경우가 생긴다는 것이다.

실행하는 명령어는 다음과 같다. 참고로 pthread를 사용하려면, -lpthread옵션을 추가해주어야 컴파일된다.

gcc -o thread.o thread.c -lpthread; ./thread.o

결과는 다음과 같다.

Process id 2239
Process id 2239
Process id 2239

process id가가 동일한 것을 확인할 수 있다. 현재 부모 프로세스, thread1, thread2의 프로세스 id가 3개가 모두 같다는 것은, 이들이 같은 프로세스 내에서 구동 중이라는 의미이다.

이전에 말했듯이, thread는 프로세스 내에 존재하고, 프로세스의 자원을 공유한다. 공유하는 부분은 프로세스 메모리 영역 중 데이터 영역, 텍스트(코드) 영역, 힙 영역이다. 따라서, thread는 process의 힙에 있는 데이터도 가져다 쓸 수 있으며, 전역 변수를 담당하는 데이터 영역도 접근이 가능해 전역 변수에도 접근할 수 있다.

유일하게 process의 스택 영역만 thread들 끼리 공유하지 못하고, thread 자신들 만의 스택 영역이 존재하는데, 사실 이는 반은 맞고, 반은 틀리다. 맘만 먹으면 process의 스택 프레임 포인터 레지스터를 가져와 스택에 있는 데이터를 꺼낼 수 있다. 즉, 프로세스의 스택 영역 역시도 thread들 사이에 공유되고 있다는 것이다. process들의 로컬 변수들이 담기는 스택 영역을 thread들끼리 공유할 필요가 없다. 자신들 만의 독립적인 실행을 위해서 스택과 범용 레지스터, pc(program counter)들이 필요하기 때문에, 이들은 thread 각각이 독립적으로 갖고 있으면 되기 때문이다.

2. 자원을 공유하는 thread

그렇다면, thread와 process의 차이점 중, 일부 자원을 공유한다는 측면을 코드로 보도록 하자.

• process.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
    int x = 2;
    int pid = fork();
    if (pid == -1) {
        return 1;
    }
    
    if (pid == 0) {
        x++;
    }
    sleep(2);
    printf("Value of x: %d\n", x);
    if (pid != 0) {
        wait(NULL);
    }
    return 0;
}

fork하여 child process를 만들면,

아래의 코드를 통해, child process는 x를 증가시키고, parent process는 가만히 두라는 것이다.

if (pid == 0) {
    x++;
}

결과는 다음과 같다.

Value of x: 3
Value of x: 2

x값이 3으로 나온 것은 child process이고, 2로 나온 것은 parent process이다.

해당 결과를 통해서, fork()로 또 다른 프로세스를 만드는 것은 이들 간의 자원을 공유한다는 것을 의미하는 것이 아니며, 이들은 서로 간의 자원을 독립적으로 구성하는 완전히 다른 프로세스라는 것이다.

그렇다면, thread의 경우는 어떻게 되는가? thread들은 process의 메모리 영역을 공유하기 때문에, 전역 변수로 x값을 설정하고, x에 대한 연산을 thread에서 수행하면 이 결과들이 모든 thread들이 공유하고, 반영하는 결과가 나오게 될 것이다.

• thread.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int x = 2;

void* routine() {
    x += 5;
    sleep(2);
    printf("Value of x: %d\n", x);
}

void* routine2() {
    sleep(2);
    printf("Value of x: %d\n", x);
}

int main(int argc, char* argv[]) {
    pthread_t t1, t2;
    if (pthread_create(&t1, NULL, &routine, NULL)) {
        return 1;
    }
    if (pthread_create(&t2, NULL, &routine2, NULL)) {
        return 2;
    }
    if (pthread_join(t1, NULL)) {
        return 3;
    }
    if (pthread_join(t2, NULL)) {
        return 3;
    }
    return 0;
}

위 코드는 thread 1, 2가 있고, 서로 수행하는 함수가 다르다. thread1은 routine 함수를 실행하여, 전역 변수 x 값에 5를 더하고, 2초간 sleep후 x를 print한다. thread2는 2초간 sleep후에 전역 변수 x값을 printf한다.

결과는 다음과 같다.

Value of x: 7
Value of x: 7

더한 것은 thread1이지만, thread2 역시도 전역 변수 x의 결과가 2가 아닌 7로 나온다. 이는 thread1, 2가 서로 전역 변수 x의 영역을 공유하고 있었기 때문에 가능하다. 즉, thread는 process 내부에서 동작하여, process의 메모리 영역 일부를 공유하기 때문에 가능한 것이다.

하지만, 이러한 공유 자원 문제는 엄청난 결과를 초래하는데, 이를 해결하는 것이 동시성 프로그래밍의 핵심이다. 앞으로 배울 mutex, condition variable 등 다양한 알고리즘들을 배울 것이다.