운영체제 - 프로세스 & 스레드

고태희·2022년 2월 15일

CS

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먼저, 프로그램이란 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일(실행파일)이다. (.exe)
이 프로그램을 실행시키는 주체를 인스턴스라고 하는데, 즉 프로세스이다.
ex)
하나의 한글파일(프로그램)이 있고, 한글파일을 두개 띄우면 하나의 프로그램에 대하여 2개의 프로세스가 동작하는 것이다.

프로세스

개념

프로그램을 메모리 상에서 실행중인 작업
메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립된 개체)
운영체제로부터 시스템자원을 할당받는 작업의 단위
- 시스템 자원의 예로 CPU, 메모리영역(heap, stack등) 등이 있다.
즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미

특징

1. 프로세스는 각각 별도의 주소공간 할당(독립적)

Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역
Data : 전역변수 , 정적변수 , 배열 등
- 초기화 된 데이터는 data영역에 저장
- 초기화 되지 않은 데이터는 bss영역에 저장
Heap : 동적 할당 시 사용 (new, malloc등)
Stack : 지역변수 , 매개변수 , 리턴 값 (임시 메모리 영역)

이렇게 나눈 이유는 최대한 데이터를 공유하여 메모리 사용량을 줄이기 위함!

2. 프로세스는 병행 실행이 가능하다

이 때, 한 프로세스 가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간 통신(IPC)이 필요하다.
하지만, 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.

스레드

개념

프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
프로세스의 특정한 수행 경로
프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

특징

1. 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고, 나머지 영역은 공유한다
스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유는
스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로
스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고, 이는 독립적인 실행 흐름이 가능하게 한다.

2. 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

프로세스와 스레드의 차이

이 그림을 보면 프로세스와 스레드의 차이를 알 수 있다.
스레드는 Stack만 따로 할당받고, 나머지 영역은 서로 공유하는 것을 볼 수 있다.

즉, 프로세스는 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받지만,
스레드는, 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용한다.

프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위이고,
스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위이다.

멀티 프로세스와 멀티 스레드

멀티 프로세스

정의 : 하나의 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
장점

안정성 : 여러개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생해도 그 자식프로세스만 죽고 영향이 없다.

단점

각각 독립되 메모리 영역을 가지고 있어, 작업량이 많을 수록 오버헤드 발생,,, Context Switching으로 인한 성능 저하
프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)

멀티 스레드

정의 : 하나의 응용 프로그램에서 여러 스레드를 구성해 각 스헤드가 하나의 작업을 처리하는 것
장점

시스템 자원 소모 감소 : 독립적인 프로세스에 비해 공유 메모리만큼의 시간, 자원 손실이 감소, 전역 변수와 정적 변수에 대한 자료 공유 가능
시스템 처리량 증가
- 시스템 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원소모가 줄어듬
- 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Swtiching이 빠르다
간단한 통신 방법으로 프로그램 응답 시간 단축

단점

안정성 : 멀티 프로세스와 반대로, 공유 메모리를 가지기 때문에 하나의 스레드가 데이터 공간을 망가뜨리면, 모든 스레드가 작동 불가
- 이 문제는 Critical Section 기법을 통해 대비함

멀티 프로세스 대신 멀티 프로세스를 사용하는 이유???

자원의 효율성 증대
- 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들기 때문
- 프로세스 간의 Context Switching시 단순 CPU 레지스터 교체 뿐 아니라 RAM 과 CPU사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문
- 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
처리비용 감소 및 응답 시간 단축
- 프로세스간 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신 비용이 적으므로 부담 감소
- 프로세스간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다 ( 스레드는 Context Switching시 Stack영역만 처리하기 때문)