Process와 Thread

맥모닝·2024년 3월 27일

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Process와 Thread 정답

Process와 Thread의 차이점

둘 다 프로그램의 실행과 관련된 단어들
- 프로그램(Program) : 어떤 작업을 위해, 실행할 수 있는 파일
  - 프로그램과 프로세스의 연관성 : 모든 프로그램은 운영체제가 메모리 공간을 할당해 줘야 실행될 수 있다. 프로그램을 실행하는 순간 파일은 메모리에 올라가게 되고, 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받아 프로그램 코드를 실행시킨다.

Process

운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위입니다.
각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 할당받고, 하나 이상의 스레드를 가지며, 운영체제에 의해 개별적으로 관리됩니다.
- 운영체제 : 컴퓨터 시스템의 핵심 소프트웨어로, 컴퓨터 하드웨어와 응용 프로그램 간의 상호작용을 관리하고 제어하는 것
- 독립적인 메모리 공간
  - Code : 프로그래머가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU가 해석 가능한 기계어 형태로 저장되어 있다.
  - Data : 코드가 실행되면서 사용하는 전역 변수나 각종 데이터들이 모여있다.
  - Stack : 지역 변수와 같은 호출한 함수가 종료되면 되돌아올 임시적인 자료를 저장하고 있다.
  - Heap : 생성자, 인스턴스와 같은 동적으로 할당되는 데이터이 저장되어 있다.
- NEXT) 멀티 스레드 = 하나 이상의 스레드

Thread

프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위입니다.
같은 프로세스 내에서 메모리를 공유하여, 스레드 간의 데이터 공유가 가능하지만, 공유 자원에 대한 동기화가 필요합니다.
- 동기화 O : 여러 스레드나 프로세스가 공유 자원에 동시에 접근할 때 발생할 수 있는 문제를 방지하기 위해, 공유 자원에 대한 접근을 제어하는 과정으로, 데이터의 무결성을 유지할 수 있습니다.
  - 데이터 무결성 : 데이터의 정확성과 일관성이 유지하는 것을 의미한다.
    - 정확성 : 데이터가 올바르고 완전한 형태로 유지되는 것
    - 일관성 : 데이터가 변경되거나 조작될 때, 그 결과가 예측 가능하고 불변하게 유지되는 것
- 동기화 X : 데이터의 무결성이 손상되고, 경쟁 상태와 교착 상태의 문제가 발생할 수 있습니다.
  - 경쟁 상태 : 공유 자원에 여러 스레드가 동시에 접근을 시도할 때, 접근의 타이밍이나 순서가 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태
  - 교착 상태(deadlock) : 두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기만을 기다리고 있기 때문에, 아무것도 완료되지 못하는 상태
  - TODO(경쟁 & 교착 상태에 대한 발생 조건 및 해결 방법)
- 데이터 공유 : 프로세스 내에서 Stack만 따로 할당 받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.

동기화 방법

synchronized : 멀티스레드 환경에서 동기화를 위해 사용되는 키워드입니다. 동시에 여러 스레드가 접근할 수 있는 공유 자원에 대한 안전한 접근을 보장하기 위해 사용됩니다.

var sharedResource: Int = 0

fun synchronizedAccess() {
    val thread1 = Thread {
        synchronized(this) {
            sharedResource++
        }
    }

    val thread2 = Thread {
        synchronized(this) {
            sharedResource++
        }
    }

    thread1.start()
    thread2.start()
}

thread1이 먼저 synchronized 블록에 진입하여 작업을 수행하고 있을 때, thread2는 thread1이 블록을 빠져나와 this에 대한 락을 해제할 때까지 대기합니다.

companion object {
    private var INSTANCE: AppDatabase? = null
    
    fun getInstance(context: Context): AppDatabase? {
        if(INSTANCE == null) {
            synchronized(AppDatabase::class.java) {
                INSTANCE = Room.databaseBuilder(
                    context.applicationContext,
                    AppDatabase::class.java,
                    "app-database.db"
                ).build()
            }
        }
        return INSTANCE
    }
}

synchronized(lock: Any, block: () -> R) : R : 어떤 스레드가 리소스를 사용하는 동안 다른 스레드가 해당 리소스에 접근하지 못하게 하는 락을 제공한다. 따라서 synchronized 블록에서는 단일 스레드만이 실행되기 때문에 다른 스레드는 대기해야 한다.
- lock : 공유 자원에 대한 접근을 제한하기 위해 사용되는 도구이다. 특정 시점에 하나의 스레드만이 공유 자원에 접근할 수 있도록 하며, 다른 스레드들은 그 자원이 해제될 때까지 대기해야 한다.
단점 : 동시 접근으로 인한 경쟁 상태나 교착 상태와 같은 현상은 일어나지 않지만, 여러 스레드 접근을 제한하는 것이기 때문에 병목 현상이 일어나 성능이 저하될 수 있다.
- 병목 현상 : 시스템 내에서 처리량이나 성능의 한계로 인해 전체 시스템의 성능이나 처리량이 제한되는 현상
  - NEXT) 병목 현상을 해결할 수 있는 코루틴

Android Thread

일반적인 메인 스레드

프로세스가 시작될 때 최초의 실행 시작점이 되는 main() 함수로부터 순차적으로 진행되는 하나의 스레드

안드로이드의 메인 스레드

단일 스레드 모델로, UI 관련 작업을 처리합니다. UI를 생성, 업데이트하거나 사용자의 입력을 처리하는 모든 작업을 포함하고, 애플리케이션 컴포넌트의 생명주기 콜백 함수를 실행시킵니다.
- 단일 스레드 모델 : 프로그램이나 프로세스가 한 번에 하나의 작업만 처리할 수 있도록 하는 실행 모델로, 작업이 순차적으로 진행되며, 한 작업이 완료된 후에 다음 작업을 실행됩니다.
  - 장점 : 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 되고, 작업 전환 비용을 요구하지 않으므로, 경쟁 상태와 교착 상태를 방지할 수 있습니다.
    - 컨텍스트 스위칭(작업 전환) : CPU가 현재 실행 중인 프로세스나 스레드의 상태를 저장하고, 다른 프로세스나 스레드의 상태를 복원하여 실행을 전환하는 과정

질문) 메인 스레드가 멀티 스레드라면?

하나의 위젯에 멀티 스레드를 사용한다면, 동일 자원에 대한 경쟁 상태, 교착 상태 등의 문제가 발생될 수 있습니다. 더불어 여러 개의 위젯를 사용한다면, 각 위젯이 그려지거나 업데이트되는 순서를 보장할 수 없습니다.

멀티 프로세스

장점 : 각 프로세스가 독립적인 메모리 공간을 가지므로, 한 프로세스가 비정상적으로 종료되어도 다른 프로세스에 영향을 주지 않아 프로그램 전체의 안전성을 확보할 수 있습니다.
단점 : 프로세스를 컨텍스트 스위칭하면, CPU는 다음 프로세스의 정보를 불러오기 위해 메모리를 검색하고, CPU 캐시 메모리를 초기화하며, 프로세스 상태를 저장하고, 불러올 데이터를 준비해야 하기 때문에, 빈번한 Context Switching 작업은 많은 비용을 발생시킵니다.

멀티 스레드

장점 : 프로세스 내의 스레드들은 code, data, heap 영역 메모리를 공유하기 때문에 TCB에는 stack과 간단한 레지스터 값만을 저장하고, PCB보다 가벼워 더 빨리 읽고 쓸 수 있습니다.
- TCB(Thread Control Block) : 각 스레드마다 운영 체제에서 유지하는 스레드에 대한 정보를 담고 있는 자료구조
- 레지스터 : 현재 프로세스가 요청을 처리하는데 필요한 데이터를 일시적으로 저장하는 기억장치
- PCB(Process Control Block) : 운영체제에서 프로세스를 관리하기 위해 해당 프로세스의 상태 정보를 담고 있는 자료구조
단점 : 여러 개의 스레드가 공유 자원에 동시에 접근하면, 데이터의 무결성이 손상될 수 있습니다. 따라서, 스레드 간의 동기화를 적절히 관리하여 경쟁 상태, 교착 상태 등의 문제를 방지해야 한다.

ANR

WHAT
- 사용자가 앱을 실행 중일 때, UI 스레드가 너무 오랫동안 차단되어, 앱이 일정 시간 내에 응답하지 않아 시스템에 의해 종료되거나 다시 시작되는 상황을 나타냅니다.
WHEN
1. 앱이 입력 이벤트(예: 키 누름 또는 화면 터치)에 5초 이내에 응답하지 않은 경우
2. Service, BroadcastReceiver, JobScheduler → TODO(상황별 해결 방법)
HOW
- 메인 스레드에서 블로킹 작업을 처리하지 않고, 오랜 시간이 걸리는 작업은 백그라운드 스레드에서 처리합니다.

백그라운드 스레드

메인 스레드와는 별개로 실행되며, 파일 I/O, 네트워크 통신, 데이터베이스 접근과 같은 오랜 시간이 걸리는 작업을 처리하는 데 사용됩니다.
- 메인 스레드와는 별개로 실행 : UI 자원에 메인 스레드와 서브 스레드가 동시 접근하여 동기화 문제를 발생시키는 것을 방지하기위해, UI 작업은 메인 스레드에서만 가능하도록 만들었다.

백그라운드 스레드 생성 방법

1. Thread 클래스

Thread 클래스를 상속받은 서브 클래스를 만들어서 run() 메서드를 구현한 후, 이 클래스의 인스턴스를 생성하고 start() 메서드를 호출하는 것
단점 : 스레드 관리나 작업의 동기화를 직접 처리해야 합니다.
- HOW)
  - 스레드의 시작, 실행, 종료 등 생명주기를 적절히 관리해야 합니다. 스레드가 제대로 종료되지 않으면 메모리 누수나 다른 자원 관리 문제를 일으킬 수 있습니다.
  - 여러 개의 스레드가 공유 자원에 동시에 접근하면, 데이터의 무결성이 손상될 수 있습니다.

2. Runnable 인터페이스

Runnable 인터페이스를 구현하는 클래스를 만들어서 run() 메서드를 구현한 후, 이 클래스의 인스턴스를 Thread 클래스 인스턴스의 생성자에 전달하고 Thread 클래스 인스턴스의 start() 메서드를 호출하는 것

private fun updateAddWord() {
    Thread {
        AppDatabase.getInstance(this)?.wordDao()?.getLatestWord()?.let { word ->
            wordAdapter.list.add(0, word)
            runOnUiThread { 
		            wordAdapter.notifyDataSetChanged() 
			      }
        }
    }.start()
}

public Thread(Runnable target) : 새로운 Thread 객체를 할당한다.
Runnable : Runnable 인터페이스를 구현하는 객체로 스레드를 생성하면, 스레드를 시작할 때 객체의 run() 메서드가 별개의 스레드에서 실행된다.
Activity.runOnUiThread : Runnable 객체를 메인 스레드에서 실행할 수 있도록 도와주는 메서드로, 현재 스레드가 메인 스레드이면 Runnable 객체의 run() 메서드를 직접 실행하고, 메인 스레드가 아닌 경우 Handler에게 post() 메서드를 통하여 메인 스레드로 메시지 큐를 발송한다.

질문) Thread와 Runnable의 차이점

Thread 클래스 : 상속을 통해 새로운 기능을 추가하여 클래스를 확장하거나 태스크의 세부적인 기능을 수정할 수 있습니다.
Runnable 인터페이스 : run() 메서드만을 구현하여 논리적으로 분리된 태스크 설계가 가능합니다.

3. Handler와 Looper

메시지(Message) : 사용자 입력을 포함한 시스템의 모든 이벤트를 전달하기 위해 사용되는 객체로, Handler를 통해 Message Queue에 전송됩니다.
- 하나의 데이터를 보내기 위해서는 한 개의 Message 인스턴스가 필요하며, 일단 데이터를 담은 Message 객체를 핸들러로 보내면, 해당 객체는 Handler와 연결된 Message Queue에 쌓이게 됩니다.
핸들러(Handler) : 다른 스레드로부터 메시지를 받아, Looper와 연결된 Message Queue로 메시지를 보내거나, handleMessage 메서드를 통해 메시지 처리 로직을 구현하여, 메시지를 처리하는 역할을 합니다.
- Message Queue로 메시지를 전달하는 경우,
  1. sendMessage() 메소드 : 메세지 큐에 Message 객체를 적재할 수 있습니다.
  2. post()로 시작하는 메소드 : 메세지 큐에 Runnable 객체를 적재할 수 있습니다.
메시지 큐(MessageQueue) : Message 객체를 선입선출 방식으로 관리하는 자료구조로, Looper에 의해 관리되며, Handler를 통해 메시지를 전달하고 처리합니다.
루퍼(Looper) : 무한 루프를 실행하여, 메시지 큐를 모니터링하고, 새로운 메시지가 도착하면 해당 메시지를 처리할 핸들러를 호출하는 역할을 합니다.
- Looper 객체가 메시지 큐에서 메시지를 하나 꺼냈을 때,
  1. Runnable 객체가 담겨있을 경우 : Handler에 메시지를 전달하지 않고 run()을 수행하여 해당 Runnable 작업을 바로 시작합니다.
  2. Runnable 객체가 없을 경우(Message 객체가 담겨있을 경우) : Message 객체 내부에 명시되어있는 Handler의 handleMessage()를 수행하여 처리합니다.

class MainActivity : AppCompatActivity() {

    // 메인 스레드의 Handler 인스턴스를 생성합니다. 
    // 이 Handler는 메인 스레드의 Looper와 연결됩니다.
    private val mainHandler = object : Handler(Looper.getMainLooper()) {
        override fun handleMessage(msg: Message) {
            // 메인 스레드에서 메시지를 받아 처리하는 로직을 구현합니다.
            // 예를 들어, TextView의 텍스트를 변경합니다.
            if (msg.what == 1) {
                val text = msg.data.getString("key")
                textView.text = text
            }
        }
    }

    override fun onCreate(savedInstanceState: Bundle?) {
        super.onCreate(savedInstanceState)
        setContentView(R.layout.activity_main)

        // 백그라운드 스레드에서 작업을 시작합니다.
        Thread {
            // 백그라운드 작업을 수행합니다.
            // 예를 들어, 여기서는 단순히 스레드를 잠시 멈춥니다.
            Thread.sleep(2000) // 2초 동안 스레드를 잠시 멈춥니다.

            // Message 객체를 생성하고 데이터를 담습니다.
            val msg = Message.obtain().apply {
                what = 1 // 메시지 식별자
                data = Bundle().apply {
                    putString("key", "백그라운드 작업 완료")
                }
            }

            // 메인 스레드의 Handler를 통해 메시지 큐에 메시지를 전달합니다.
            mainHandler.sendMessage(msg)
        }.start()
    }
}

질문) Queue와 Stack의 차이점 (안드로이드)

Queue : 선입선출 방식으로 주로 메시지를 관리하거나 Handler와 함께 사용되어 UI 이벤트와 작업 처리 등에 사용됩니다.
Stack : 후입선출 방식으로 주로 함수 호출에 대한 정보를 저장하고, 호출 순서에 따라 스택에서 처리됩니다.

질문) Handler와 runOnUiThread의 차이점

둘 다 메인 스레드에서 UI 업데이트를 실행하기 위한 방법으로,
Handler : post 메서드를 사용하여 작업을 메세지 큐에 적재합니다.

runOnUiThread : 현재 스레드가 UI 스레드일 경우, 메시지 큐를 거치지 않고 바로 실행시켜줄 수 있습니다.

public final void runOnUiThread(Runnable action) {
    if (Thread.currentThread() != mUiThread) {
        mHandler.post(action);
    } else {
        action.run();
    }
}

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동기화 방법

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일반적인 메인 스레드

안드로이드의 메인 스레드

질문) 메인 스레드가 멀티 스레드라면?

멀티 프로세스

멀티 스레드

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백그라운드 스레드

백그라운드 스레드 생성 방법

1. Thread 클래스

2. Runnable 인터페이스

질문) Thread와 Runnable의 차이점

3. Handler와 Looper

질문) Queue와 Stack의 차이점 (안드로이드)

질문) Handler와 runOnUiThread의 차이점

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