[TIL] 프로세스와 스레드

woonie·2022년 4월 6일

TIL

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0. 선행지식

CPU : 중앙처리장치

초기의 컴퓨터는 멀티 태스킹이 불가능했다. 그러나 CPU 성능이 개선됨에 따라 Context Switching을 통해서 동시성을 구현하는 것이 가능해졌다.

동시성(Concurrency) : 동시에 실행되는 것 같이 보이는 것

2000년대 초반, 한계치 이상까지 CPU의 쿨럭을 끌어올리던 CPU 제조회사들은 2002년에 3Ghz 쿨럭을 돌파했다.

그러나 이로 인해 발생하는 발열, 엄청난 전력 소모로 인해 CPU의 작업 속도를 높이는데에 한계가 있음을 발견한다.

이에 쿨럭을 올리는 방향이 아닌, 코어의 면적을 넓히는 방향, 즉 멀티 코어 프로세서의 방향으로 나아가기 시작한다.

즉 코어 하나를 극한까지 끌어올리는 것이 아닌, 하게 된 것이다.
코어의 수를 늘려서 더 쉽게 CPU 전체의 성능 향상을 도모하는 쪽으로 발전

그리고 이러한 발전은 프로세서의 숫자를 늘리는 것에서 그치지 않고, 스레드까지 나아가게된다.

1. 프로세스(Process)

1-1 프로그램(Program)

프로세스를 이해하려면 먼저 프로그램의 정의를 알아야한다.

프로그램(Program) :

작업을 위해서 실행할 수 있는 파일 (An executable file)

프로그램은 바이너리 파일로 되어있다. 그렇다면 이 프로그램을 어떻게 실행시킬까?

바로 한다.
프로세스로 프로그램을 실행

1-2 프로세스(Process)

프로세스(Process) :
실행되고 있는 컴퓨터 프로그램 (computer program in execution)

프로그램(실행 가능한 파일)을 실행 시킨 것이 바로 프로세스이다.

프로세스는 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스이다.(독립적인 개체)

운영체제(OS)로부터 시스템 자원을 할당 받는다.

각 프로세스는 최소 1개의 스레드를 가지고 있다.

각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.

만약 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면, 프로세스 간의 통신(IPC, inter process communication)을 사용해야한다.

1-3 프로세스 구성 요소**

OS로부터 할당받는 자원(메모리 영역) /프로세스의 구성 요소

하나의 프로세스는 각각 받는다. 독립된 메모리 영역을 할당
- Code
  - 실행할 프로그램의 코드 및 매크로 상수가 기계어 형태로 저장되는 영역이다.
  - CPU는 코드 영역에 저장된 명령어를 하나씩 처리한다.
- Data
  - 코드에서 선언한 전역 변수와 정적(static) 변수가 저장되는 영역이다.
  - 데이터 영역은 프로그램의 시작과 함께 할당되어 종료될 때 소멸된다.
- Stack
  - 함수 안에서 선언된 지역 변수, 매개변수, 리턴 값 등이 저장되고 함수 호출 시 기록하고 종료되면 제거한다.
  - 스택은 LIFO(후입선출) 매커니즘을 따른다.
- Heap
  - 관리가 가능한 데이터 이외의 다른 형태의 데이터를 관리하기 위한 공간(Free Space)이다.
  - 이 공간은 동적 메모리 할당 공간이므로 끝나면 운영체제가 쓸 수 있도록 반납해야한다.

2. 스레드(Thread)

스레드(Thread) : 프로세스 내의 실행 단위 (The unit of execution within a process)

프로세스 안에는 여러개의 스레드가 있을 수 있다.

스레드는 프로세스 내에서 Stack만 할당 받고, 나머지는 스레드들끼리 공유한다.

한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

독립적인 스택을 가졌다는 것은, 독립적인 함수 호출이 가능하다는 뜻이다. 그리고 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것은, 독립적인 실행 흐름이 추가된다는 것이다.

즉 스레드는 스택을 가짐으로서 독립적인 실행 흐름을 갖는다.

3. 멀티 프로세스 (Multi Process)

하나의 어플리케이션을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 병렬적으로 수행하는 것을 의미한다.
부모 프로세스가 fork하여 자식 프로세스를 생성하면, 자식 프로세스는 독립적인 메모리 영역을 가지면서 하나의 프로그램을 처리할 수 있다.
장점
- 독립된 구조로 높은 안정성 : 각 프로세스가 독립된 영역(Code,Data, Stack, Heap)을 가지고 있기 때문에, 여러 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하여도 해당 프로세스에만 영향을 미친다.
- 메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결하므로 안전하다.
단점
- 독립된 메모리 영역이기 때문에, 작업량이 많을수록 더 많은 Context Switching이 일어난다.
- Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하여 성능 저하를 불러올 수 있다.
- 프로세스 간의 복잡한 통신(IPC)가 필요하다.

4. 멀티 스레드(Multi Thread)

하나의 어플리케이션을, 한 프로세스 안에 여러 스레드로 자원을 공유하여 작업을 처리하는 것을 의미한다.
장점
- 자원의 효율성 증대
  - 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  - Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하면 되기 때문에, 전환 속도가 빠르고 이를 위한 시스템 자우너 소모가 줄어든다.
- 쓰레드들은 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적고, 프로그램 응답 시간이 단축된다.
단점
- 서로 다른 스레드가 Stack을 제외한 메모리 공간을 공유하기 때문에 동기화 문제가 발생할 수 있다.
- 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(Data)를 이용하므로 다른 스레드가 동시에 사용할 때 충돌이 발생 할 수 있다.
- 이는 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 스레드가 영향을 받는다는 것을 의미하고, 이로 인해 디버깅이 어려울 수 있다.
- 디버깅이 잘 안되는 정도가 아니라, 공유하는 데이터 공간이 망가질 수도 있다..
- 리스크 부담으로 인하여 주의 깊은 설계가 필요하다.