운영체제 | Process & Thread

🥔 Process와 Thread

운영체제에서 프로세스(Process) 와 스레드(Thread) 는 프로그램이 실행되는 가장 기본적인 단위다. 개발자라면 이 둘의 차이와 구조를 이해하는 것이 매우 중요하며, 특히 병렬 프로그래밍이나 시스템 설계에 큰 영향을 미친다.

🥔 프로세스(Process)란?

프로세스는 실행 중인 프로그램이다. 컴파일된 실행 파일(.exe, .out 등)이 메모리에 적재되어 CPU 자원을 받아 실제로 실행되면 프로세스가 된다.

운영체제는 각 프로세스에 다음과 같은 자원을 할당한다:

• 고유한 메모리 공간 (코드, 데이터, 힙, 스택 등)
• PID (프로세스 ID): 커널이 관리하는 고유 식별자
• 파일 디스크립터 테이블
• CPU 레지스터 상태 (Context)

즉, 프로세스는 자원(Resource) 과 실행 상태(Context) 를 가진 독립적인 실행 단위다.

🥔 프로세스의 메모리 구조

프로세스는 보통 다음과 같은 메모리 영역으로 구성된다:

영역	설명
Text	실행 코드가 위치한 영역
Data	초기화된 전역변수, static 변수
BSS	초기화되지 않은 전역변수
Heap	동적 메모리 할당 영역 (malloc, new 등)
Stack	함수 호출 시 사용되는 지역변수 저장 영역

각 프로세스는 이 구조를 독립적으로 가지며, 다른 프로세스와 메모리를 공유하지 않는다.

🥔 스레드(Thread)란?

스레드는 프로세스 내에서의 실행 흐름 단위다. 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있으며, 이들을 통해 멀티스레딩(Multithreading) 을 구현할 수 있다.

스레드가 공유하는 자원:

• 코드 영역
• 데이터 영역
• 힙 영역
• 열린 파일 디스크립터

스레드가 독립적으로 가지는 자원:

• 스택
• 레지스터 및 PC (Program Counter)
• 스레드 ID

하나의 프로세스가 여러 작업을 동시에 처리해야 할 경우, 스레드를 나누어 병렬로 처리하면 성능이 향상된다.

🥔 프로세스 vs 스레드

항목	프로세스	스레드
정의	실행 중인 프로그램	실행 흐름 단위
메모리 공간	독립적	공유함 (코드, 데이터, 힙)
생성 비용	높음 (Context Switching 포함)	낮음 (Stack, Register만 분리)
통신 방식	IPC 필요 (파이프, 소켓 등)	메모리 공유로 효율적
안정성	하나 죽어도 다른 프로세스는 영향 없음	하나가 죽으면 전체 프로세스 위험

🥔 멀티프로세스 vs 멀티스레드

멀티프로세스

• 여러 개의 완전히 독립적인 프로세스가 동시에 실행
• 예: 크롬 브라우저는 탭마다 별도 프로세스로 실행됨

멀티스레드

• 하나의 프로세스 내에서 여러 스레드가 동작
• 자원을 공유하므로 메모리 효율이 높고 빠름
• 예: 게임 클라이언트, 채팅 서버 등에서 병렬 작업 처리

실제 서버 프로그램에서는 요청을 처리하기 위해 보통 스레드 풀(Thread Pool) 을 만들어 동시성(concurrency)을 처리한다.

🥔 스레드 동기화(Synchronization)

멀티스레드 환경에서는 여러 스레드가 동시에 같은 자원에 접근할 수 있기 때문에, 동기화가 필수적이다.

• 경쟁 상태(Race Condition) 를 방지하려면 락(Lock)을 사용해야 한다.

• 대표적인 동기화 도구:

  • Mutex (Mutual Exclusion)
  • Semaphore
  • Spin Lock
  • Condition Variable

적절한 동기화를 사용하지 않으면 데이터 손상, 데드락(Deadlock) 등이 발생할 수 있다.

🥔 프로세스 관련 시스템 콜

함수	설명
fork()	부모 프로세스를 복사하여 자식 프로세스를 생성
exec()	현재 프로세스를 새로운 프로그램으로 덮어씀
wait()	자식 프로세스의 종료를 기다림
exit()	프로세스 종료

fork로 자식 프로세스를 만들고, exec로 새로운 프로그램을 실행하는 방식은 유닉스 계열에서 매우 일반적인 패턴이다.

🥔 Thread 생성 방식 (POSIX pthread)

C에서는 pthread 라이브러리를 통해 스레드를 생성할 수 있다.

#include <pthread.h>

void *thread_func(void *arg) {
    // 실행할 코드
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_join(tid, NULL);
}

🥔 정리

• 프로세스는 독립적, 스레드는 공유 기반의 실행 흐름
• 멀티프로세싱은 안전하지만 무겁고, 멀티스레딩은 효율적이지만 주의가 필요하다
• 병렬 처리를 위해서는 상황에 맞는 모델을 선택하는 것이 중요하다
• 실전에서는 스레드 풀, 동기화, 에러 처리까지 고려해야 진짜 멀티스레딩이다