프로세스는 메모리 상에서 실행 중인 프로그램을 말하며, 스레드는 이 프로세스 안에서 실행되는 흐름 단위

프로세스(Process)

컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램

• 의미
  • 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
  • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당 받는 작업의 단위
• 특징
  • 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당 받는다.
  • 기본적으로 프로세스 당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
  • 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료 구조에 접근할 수 없다.
  • 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 한다.
    • Ex, 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법

스레드(Thread)

프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위

• 사전적 의미
  • 프로세스의 특정한 수행 경로
  • 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위
• 특징
  • 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당 받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
  • 스레드 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행
  • 같은 프로세스 안에 있는 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스이 메모리에 직접 접근할 수 없다.
  • 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.
  • 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibliing thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

멀티 프로세스 & 멀티 스레드

멀티 프로세스

하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(태스크)을 처리하도록 하는 것

• 장점
  • 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산 되지 않는다.
• 단점
  • Context Switching에서의 오버헤드
    • Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 쵝화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생
    • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당 받았기 때문에 프로세스 사이에 공유하는 메모리가 없어 Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
  • 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신기법(IPC)
    • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다.

멀티 스레드

하나의 응용 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것

• 장점
  • 시스템 자원 소모 감소 (자원의 효율성 증대)
    • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  • 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
    • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
    • 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
• 단점
  • 설계의 난이도가 높다
    • 디버깅이 까다로움
  • 단일 프로세스 시스템의 경우 효과가 없음
  • 프로세스 밖에서, (프로세스 내의) 스레드를 각각 제어할 수 없다.
  • 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생(동기화 문제)
  • 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다

멀티 스레드를 주로 사용하는 이유

1. 자원의 효율성 증대
   • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리 가능
   • Context Switching에 의한 오버헤드 발생을 방지
   • 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 데이터 주고 받는 것과 시스템 자원 소모가 줄어듦
2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
   • 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신 부담이 줄어든다
     • 스레드는 Stack 영역을제외한 모든 메모리를 공유
   • 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다
     • Context Switching 시 스레드는 Stack 영역만 처리

PCB & Context Switching

프로세스 관리

Process Management : 구동중인 프로세스가 여러 개일 때, CPU 스케줄링을 통해 프로세스를 관리하는 것

• 스케줄링을 위해 CPU 들은 각 프로세스들에 대해서 구분할 수 있도록 Process Metadata를 활용
  • Process Metadata : 각기 다른 프로세스들의 본연의 특징
    • 프로세스 고유 ID(PID)
    • 프로세스 상태
    • 프로세스 우선 순위
    • Program Counter(PC)
    • CPU 레지스터
    • Owner
    • Memory Limit
    • 기타 등등
  • Metadata는 프로세스가 생성될 때마다 PCB(Process Control Block)에 저장

PCB(Process Control Block)

Process Metadata를 저장하는 곳

• 하나의 PCB 안에는 하나의 프로세스의 정보가 담기게 된다.
• 프로그램이 실행되어 메모리에 적재되었을 때, 프로세스가 생겨나고 프로세스 주소 공간에 코드 & 데이터 & 스택 공간이 생성
• 이후 해당 프로세스의 메타데이터들이 PCB에 저장
• 프로세스 A에서 B로 교체될 때의 과정
  1. B에서 인터럽트 발생
  2. A의 현재 실행 정보를 PCB에 저장
  3. A를 대기 상태로 돌리고 B를 실행 상태로 전환
  4. B의 PCB 정보를 기반으로 실행 재개
  5. B가 원하는 동작을 모두 수행
  6. B의 현재 실행 정보를 PCB에 저장
  7. B를 대기 상태로 돌리고 A를 실행 상태로 전환
  8. A의 PCB 정보를 기반으로 실행 재개

PCB의 관리 방식

• 프로세스가 생성될 때 마다 PCB가 하나씩 증가
• PCB를 관리하는 자료 구조 : Linked List
  • PCB List Head에 PCB들이 생성될 때마다 하나씩 이어 붙임
  • 주소값으로 연결되는 형태 -> 새로운 PCB의 생성 혹은 기존 PCB 삭제에 용이

Context Switching

실행중이던 프로세스의 상태를 PCB에 보관하고, 새로 들어오는 프로세스의 PCB 정보를 바탕으로 레지스터에 값을 적재하는 과정

• 다른 표현으론, 다중 프로그래밍 시스템에서 CPU가 할당되는 프로세스를 변경하기 위해 현재 CPU를 사용하여 실행되고 있는 프로세서의 상태 정보를 저장하고 제어권을 인터럽트 서비스 루틴(ISR)에게 넘기는 작업
• Context : CPU가 다루는 Task(Process / Thread)에 대한 정보, 대부분의 정보는 Register에 저장되고 PCB로 관리
• Context Switching 발생 상황 : 프로세스가 Ready -> Running, Running -> Ready, Running -> Block 과 같은 상태 변경 새

Context Switching Cost

1. Cache 초기화

2. Memory Mapping 초기화

3. 메모리의 접근을 위한 Kernel의 상시 실행 상태

   => 잦은 Context Switching은 성능 저하를 유발

Context Switching과 시간 할당량

프로세스들의 시간 할당량은 시스템 성능의 중요한 역할 수행

• 시간 할당량이 적어지면 : 문맥 교환 수 ,인터럽트 횟수, 오버헤드가 증가하지만 여러 개의 프로세스가 동시에 수행 되는 느낌
• 시간 할당량이 커지면 : 문맥 교환 수, 인터럽트 횟수, 오버헤드가 감소하지만 여러 개의 프로세스가 동시에 수행되는 느낌이 없다
  • 오버헤드 : 간접 부담 비용으로, 프로세스의 실행을 위한 부가적인 활동
• 프로세스를 수행하다가 I/O event가 발생하여 BLOCK 상태로 전환시켰을 때, CPU가 그냥 놀게 놔두는 것보다 다른 프로세스를 수행시키는 것이 효율적
  • 따라서 CPU에 계속 프로세스를 수행시키도록 하기 위해 다른 프로세스를 실행시키고 Context Switching을 할 때 Overhead가 발생

참조

[OS] 프로세스와 스레드의 차이 : https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html