process & Thread

목표

• 프로세스와 스레드의 개념을 설명할 수 있다.
• 프로세스와 스레드의 차이(Process vs Thread)를 이해할 수 있다.
• 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유를 알아본다.

프로세스와 쓰레드의 차이 (process vs Thread)

1. 프로세스란?

• 사전적 의미
  • 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램
  • 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스 (독립적인 개체)
  • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업 단위
  • 즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미한다
• 특징
  • 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당받는다.
    - 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당받는다.
  • 기본적인 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있는다.
  • 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
  • 프로세스가 다른 프로세스를 접근하기 위해서는 프로세스간의 통신( IPC )이 필요한다
    • ex) 파이프, 파일, 소켓,등

2. 쓰레드란?

• 사전적 의미
  • 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
  • 프로세스의 특정한 수행 경로
  • 프로세스가 할당받은 자원을 이용하여 실행하는 단위
• 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(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
  • 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 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(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

멀티프로세스와 멀티쓰레드의 차이

1. 멀티 프로세스

• 멀티 프로세싱
  • 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
• 장점
  • 여러 개의 자식 프로세스중 하나가 문제가 발생하여도 다른 영향으로 확대되지 않는다.
• 단점
  • Context Switching에서의 오버헤드
    • 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)
    • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다

2. 멀티 쓰레드

• 멀티 쓰레드
  • 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 쓰레드로 구성하고 각 쓰레드를 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
  • 많은 운영체제들이 멀티 프로세스를 지원하고 있지만 멀티 쓰레딩을 기본으로 하고 있다.
  • 웹 서버는 대표적인 멀티 쓰레딩 운영체제이다.
• 장점
  • 시스템 자원 소모 감소 (자원 효율성 극대)
    • 시스템 콜(프로세스를 생성하여 자원을 할당)이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  • 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
    • 쓰레드 간 데이터 주고 받는 것이 간단해지고, 시스템 자원 소모가 줄어든다
    • 쓰레드 사이 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다
  • 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
• 단점
  • 주의 깊은 설계가 필요
  • 디버깅이 까다로움
  • 단일 프로세스의 경우 효과 기대하기 어려움
  • 다른 프로세서가 쓰레드를 제어할수 없다
  • 멀티 쓰레드의 경우 자원 공유문제가 발생한다.(동기화 문제)
  • 하나의 쓰레드가 문제를 받으면 전체 프로세서가 영향을 받는다

멀티 프로세스 대신 멀티 쓰레드를 사용하는 이유

• 멀티 쓰레드를 사용하는 의미
  • 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는것이다.
• 하나의 프로세스에서 여러 쓰레드를 나눠가면서 작업하는 이유?
  • 자원의 효율성 극대
    • 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리 가능하다
    • 프로세스간의 Context Switching은 RAM, CPU 사이의 캐쉬 메모리 데이터가 초기화 되므로 오버헤드가 크기 때문
    • 쓰레드간 데이터 주고 받는 것이 간단해져서 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
  • 처리비용 감소 및 응답 시간 단축
    • 프로세스간의 통신 (IPC)보다 쓰레드 간의 통신비용이 적어 통신의 부담이 줄어든다.
    • 스레드간의 전환속도가 프로세스 간의 전환 속도보다 빠르다
• 주의할 점!
  • 자원을 공유하기 때문에 한 자원에 동시에 접근하는 일이 없도록 해주어야 한다.
  • 스레드는 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에, 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료 구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 사용하게 될 수도 있다.
  • 그렇기 때문에, 스레드 작업에서는 동기화 작업이 필요하다.
  • 동기화 작업을 통해 작업 처리 순서와 공유하는 자원에 대한 접근을 통제하는 것.
  • 하지만 이는 병목 현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높습니다. 그래서 과도한 락으로 인한 병목 현상이 발생하지 않도록 유의해야 합니다.