프로그램(Program), 프로세스(Process), 쓰레드(Thread)

✍🏻 프로그램, 프로세스, 쓰레드 알아보기

프로세스와 스레드의 차이는 운영체제 공부에서도 아주 중요하게 다룬다.
개발자 면접에서도 자주 나오는 주제인 프로세스와 쓰레드에 대해 아는 것은 중요하다.

먼저 프로세스와 스레드를 알아보기 전에 프로그램(Program)이 무엇인지에 대해 알아보자.

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✅ 프로그램(Program)이란 무엇인가

*️⃣ 프로그램의 사전적 의미

프로그램의 의미는 어떤 작업을 하기 위해 해야할 일들을 순서대로 나열한 것으로
쉽게말해 컴퓨터에서 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 '정적인 상태'의 파일이라고 볼 수 있다.
ex. Windows의 경우 exe파일

컴퓨터에서의 '프로그램'은 사용자가 원하는 일을 처리할 수 있도록 프로그래밍 언어를 사용하여 올바른 수행절차를 표현해 놓은 명령어들의 집합이다. 그에 필요한 데이터를 묶어 놓은 파일로 보조 기억장치에 저장되어있다.

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✅ 프로세스(Process)란 무엇인가

*️⃣ 프로세스의 사전적 의미

프로그램이 실행되서 돌아가고 있는 상태, 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 '동적인 상태'의 컴퓨터 프로그램이다.

다들 한번쯤은 봤을 ctrl+alt+delete의 작업관리창에 표시되어있는 것들이 동적인 상태의 프로그램.
즉, 프로세스인 것이다.

프로세스는 운영체제가 메모리 등의 필요한 자원을 할당해준 '실행중인 프로그램'이다.
프로그램을 실행하면 운영체제로부터 실행에 필요한 자원을 할당받아 '프로세스'가 되는 것이다.

프로세스가 할당받는 시스템 자원의 예
▶️ cpu시간
▶️ 운영되기 위해 필요한 주소 공간
▶️ Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어있는 독립된 메모리 영역

*️⃣ 프로세스의 특징

▶️ 프로세스는 각각 Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어있는 독립된 메모리 영역을 할당 받는다.
▶️ 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 서로 독자적인 메모리 공간을 갖기 때문에 서로 메모리 공간을 공유할 수 없다. 즉, 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
▶️ 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스간의 통신(IPC)을 사용해야한다.
▶️ 프로세스는 최소 하나 이상의 스레드를 포함한다.

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✅ 프로세서의 프로세싱

옛날엔 컴퓨터가 한번에 하나의 동작밖에 수행하지 못했다.
하지만 다중작업을 가능하게하는 멀티태스킹 기능이 나오면서 컴퓨터가 프로세스 여러개를 함께 돌리는 것이 가능해졌다.

✔️ 프로세서 :컴퓨터 내에서 프로그램을 수행하는 하드웨어 유닛이다. 이는 중앙 처리 장치(CPU)를 뜻하며 명령어를 해석하는 컴퓨터의 한 부분이다.
✔️ 멀티 프로세싱 : 여러 개의 프로세스를 사용하는 것
✔️ 멀티 태스킹 : 같은 시간에 여러 개의 프로그램을 띄우는 것

여러 프로세스들을 한꺼번에 돌리는 작업은 동시적, 병렬적, 또는 이 둘의 혼합으로 이뤄진다.

*️⃣ 프로세스의 동시성

동시성(Concurrency)
프로세서는 원래 한번에 하나의 프로세스만 실행시킬 수 있다.
때문에 동시성은 프로세서 하나가 프로그램 1,2,3,4 여러 작업을 돌아가며 일부분씩 수행하는 방식이다.
이렇게 진행중인 작업을 바꾸는걸 'Context Switching'이라고 부르는데 이 과정이 매우 빠른 속도로 돌아가게 되면서 사람들에게는 이 프로세스들이 동시에 진행되는 것 처럼 보인다.

*️⃣ 프로세스의 병렬성

병렬성(Parallelism)
병렬성은 프로세서 하나에 코어 여러개가 달려서 각각 동시에 작업을 하는 방식이다.
듀얼코어, 쿼드코어, 옥타코어와 같은 명칭의 프로세서가 달린 컴퓨터에서 할 수 있는 방식이다.
코어를 여러개 달아 작업을 분담하게 만든것이다.

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여기까진 컴퓨터에서 여러 프로세스를 함께 돌릴 수 있게 된 것에 대한 설명이다.
브라우저 또한 하나의 프로그램이고 브라우저가 돌면서 하나의 프로세스가 진행되게 된다.
하지만 브라우저가 실행중일때도 게임을 다운받고 웹서핑을하거나 노래를 듣는 등,
한 프로세스안에서도 여러가지의 작업들이 동시에 진행되는 경우가 생긴다.
이런 여러가지 작업으로 생기는 이 갈래들을 쓰레드(Thread)라고 부른다.

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✅ 쓰레드(Thread)란 무엇인가

*️⃣ 쓰레드의 사전적 의미

스레드(thread)는 프로세스가 할당 받은 자원을 이용하는 실행 단위이자, 프로세스의 특정한 수행 경로이자 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위이다.

스레드는 프로세스 내에서 프로세스의 자원을 이용해서 실제로 작업을 수행하는 일꾼이다.
스레드가 소속된 프로세스가 운영체제로부터 자원을 할당받으면 그 자원을 스레드가 사용한다.
프로세스는 최소 한 개 이상의 스레드를 가지며 이 스레드를 메인 스레드(main thread)라고 한다.

*️⃣ 쓰레드의 특징

▶️ 각 스레드는 독자적인 스택(Stack) 메모리를 갖는다.
▶️ 스레드는 프로세스 내에서 각각 스택만 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
▶️ 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소공간이나 자원들을 같은 프로세스 내의 스레드끼리 공유하며 실행된다.
▶️ 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.
▶️ 스레드는 메모리를 공유하기 때문에 동기화, 데드락 등의 문제가 발생 할 수 있다.
▶️ 스레드는 대부분의 현대 운영체제가 지원하고 있으며, 이와 관련된 주요 라이브러리로는 POSIX Pthreads, Windows threads, Java threads 가 있다.

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✅ 프로세스(Process)와 쓰레드(Thread)

*️⃣ 프로세스와 스레드의 관계

프로세스는 스레드의 컨테이너이다. 스레드의 정보를 담고있는 것에 불과하다.

*️⃣ 프로세스와 스레드의 차이

프로세스는 각 작업(Task)마다 운영체제로부터 자원을 할당받기 위해 시스템 콜을 하는 부담이 생기지만 멀티 스레드를 사용한다면 시스템 콜을 한번만 해도 되기 때문에 효율적이다.
또한 IPC 방식보다는 스레드 간 통신이 덜 복잡하고 시스템 자원 사용이 더 적으므로 통신의 부담도 줄일 수 있다.

차이점	프로세스	스레드
정의	실행중인 프로그램	프로세스의 실행단위
생성/종료시간	많은 시간 소요	적은 시간 소요
컨텍스트 전환	많은 시간 소요	적은 시간 소요
상호작용	IPC 사용	공유 메모리 사용
자원 소모	많음	적음
독립성	각각 독립적	스택만 독립적이고 이외에는 공유

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✅ 멀티프로세스와 멀티쓰레드

*️⃣ 멀티 프로세싱이란

하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(태스크)을 처리하도록 하는 것이다.

*️⃣ 멀티 프로세싱의 장점

▶️ 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않는다.

*️⃣ 멀티 프로세싱의 단점

▶️ Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 된다.
▶️ 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
▶️ 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)으로 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다.

*️⃣ 멀티 스레딩이란

하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있다.
웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.

*️⃣ 멀티 스레딩의 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.

*️⃣ 멀티 스레딩의 단점

▶️ 주의 깊은 설계가 필요하다.
▶️ 디버깅이 까다롭다.
▶️ 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다.
▶️ 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.)
▶️ 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다. (동기화 문제)
▶️ 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.

*️⃣ 멀티프로세스 대신 멀티 쓰레드를 사용하는 이유는?

프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이 더 낫기 때문이다.

✔️ 자원의 효율성 증대
멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.

스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.

✔️ 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
또한 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다.

스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다. Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문이다.

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✅ Reference

출처 :
1) https://www.yalco.kr/14_process_thread/
2) https://haedallog.tistory.com/138
3) https://gbsb.tistory.com/312
4) https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html