개요
백엔드 개발을 하면서 프로세스와 스레드에 대하여 쉽게 이해하지 못하거나, 궁금증이 남아있어서 이번 기회에 복습하면서 정리를 해보았다.
프로세스
프로세스 의미
프로세스의 사전적 의미는 여러가지 설명이 있다. 기본적으로 "컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램"이라고하며, 조금 더 컴퓨터 과학적인 내용을 들어가보면 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체) 로 볼 수 있다. 이 외에도 정리하면 아래와 같다.
- 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
- 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미
할당받는 시스템 자원의 예도 있다.
- CPU 시간
- 운영되기 위해 필요한 주소 공간
- Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역
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 자료구조에 접근할 수 없다.
한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 한다.
예) : 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용
스레드
스레드의 의미
스레드는 사전적인 의미로 "프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위", 프로세서의 특정한 수행 경로, 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위로 볼 수 있다.
스레드 특징
- 스레드는 프로세스 내에서 각각 stack만 따로 할당받고 code, data, heap 영역은 공유한다.
- 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(heap, data, code 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
- 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리 영역에 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(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.
자바 스레드(Java Thread)
일반 스레드와 큰 차이는 없고, JVM이 운영체제의 역할을 한다. 자바에는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재하며, 자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄되는 실행 단위 코드 블록이다. 자바에서 스레드 스케줄링은 JVM에 의해 전적으로 이루어진다.
아래와 같은 스레드 관련 정보들을 JVM이 관리한다
- 스레드의 개수
- 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치
- 스레드 상태
- 스레드 우선순위
자바 개발자는 자바 스레드로 작동할 스레드 코드를 작성하고, 스레드 코드가 생명을 가지고 실행을 시작하도록 JVM에 요청하면 된다.
멀티 프로세스와 멀티 스레드
멀티 프로세스
하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것을 멀티 프로세스라고 한다.
멀티 프로세스는 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽고 다른 영향이 확산되진 않는다. 그러나 멀티 프로세스는 여러 단점도 있다.
- Context Switching 오버헤드
- Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생한다.
- 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
- 프로세스 사이의 통신의 어려움(IPC)
- 프로세스는 각가의 독립된 메모리 영역을 할당 받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다.
Context Switching
- CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 과정
- 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업
멀티 스레드
하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고, 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것을 말한다. 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만, 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있다. 예시로 웹 서버는 대표적인 멀티 스레딩 응용 프로그램이다.
멀티 스레드의 장점은 아래와 같다.
- 시스템 자원 소모 감소 (자원의 효율성 증대)
- 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리가 가능하다.
- 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
- 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고, 시스템 자원 소모가 줄어든다.
- 스레드 사이의 작업량이 작어 Context Switching이 빠르다.
- 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
- 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.
멀티 스레드는 아래와 같은 단점이 있다.
- 설계 시 멀티 스레드에 대한 고려를 주의해야한다.
- 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다.
- 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (프로세스 밖에서 스레드를 각각 제어할 수 없다.)
- 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생할 수 있다.(동기화)
- 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스의 영향을 받는다.
동기화 문제👿
멀티스레드를 사용하면 각각의 스레드 중 어떤 것이 어떤 순서로 실행될 지 그 순서를 알 수 없다. 만약 A 스레드가 어떤 자원을 사용하다가 B 스레드로 제어권이 넘어간 후 B 스레드가 해당 자원을 수정했을 때, 다시 제어권을 받은 A 스레드가 해당 자원에 접근하지 못하거나 바뀐 자원에 접근하게 되는 오류가 발생할 수 있다.
이처럼 여러 스레드가 함께 전역 변수를 사용할 경우 발생할 수 있는 충돌을 동기화 문제라고 한다. 스케줄링은 운영체제가 자동으로 해주지 않기 때문에 프로그래머가 적절한 기법을 직접 구현해야 하므로 프로그래밍할 때 멀티스레드를 사용하려면 신중해야 한다. 디버깅 과정도 까다로워지기 때문이다.
멀티 스레드를 사용하는 이유
멀티 스레드를 사용하는 의미는 하나의 프로세스 안에서 여러 작업을 해결하는 것이다.
여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나눠가면서 하는 이유는 아래와 같다.
- 자원의 효율성 증대
- 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행하는 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리 할 수 있다.
- 프로세스 간의 Context Switching 시 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라, RAM과 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터까지 초기화되기 때문에 오버헤드가 비용이 크다.
- 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간의 데이터를 주고 받는 것이 간단하고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
- 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
- 프로세스 간 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적기 때문에 작업들 간의 통신 부담이 줄어든다.
- 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유
- 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
- Context Switching 시 스레드는 Stack 영역만 처리
⛔️주의사항
스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로, 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있다. 또한 동기화 문제를 해결해야한다.
흐름
프로그램에서 프로세스
프로그램이란 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만, 메모리에는 올라가있지 않은 정적인 상태를 의미 한다.
프로그램을 실행하면 해당 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 메모리에 올라간 상태를 동적인 상태라고 한다. 이 상태의 프로그램을 프로세스 라고 한다. 스케줄링 단계에서는 "작업"과 같은 단어로 봐도 무방하다고 한다.
프로세스에서 스레드
운영체제는 안전성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제한하였다. 그래서 프로세스에서 더 작은 실행 단위에 대한 개념이 필요하게 되었고, 이 개념이 스레드이다.
스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간 메모리를 공유하며 작동한다. 스레드 간의 프로세스의 자원을 공유하면서 프로세스 실행 흐름의 일부가 된다. 스레드도 코드에 비유하면, 스레드는 코드 내에 선언된 함수들이 되고 따라서 main 함수 또한 일종의 스레드로 볼 수 있다.
출처 및 참고
