[10분 테코톡] 🌷 코다의 Process vs Thread

출처: https://www.youtube.com/watch?v=1grtWKqTn50

출처: https://lilys.ai/digest/7296769/7862479/

📌 프로세스와 스레드의 차이점은 무엇인가요?

항목	프로세스	스레드
개념	++프로그램이 실행된 무언가로, 독립적인 메모리 공간을 가짐++	++한 프로세스 내에서 나뉘어진 하나 이상의 실행 단위로, 자원을 공유함++
자원 공유	독립적인 메모리 (코드, 데이터, 힙, 스택 모두 개별)	코드, 데이터, 힙 공유; 스택만 개별
통신	IPC (Inter-Process Communication) 필요	공유 자원을 통해 직접 통신 가능
컨텍스트 스위칭	비용이 크고 무거움	비용이 적고 효율적임
독립성	높음 (하나의 문제가 전체에 영향 적음)	낮음 (하나의 문제가 전체 프로세스에 영향 줄 수 있음)

목차

1. 프로세스와 스레드 개념 정립 및 용어 정리

1. 면접 상황 가정 및 주의 사항 제시
   1. 프로세스와 스레드 비교는 면접 단골 질문이며, 답변 시 용어 혼동에 빠지기 쉽다
   2. 주의해야 할 상황은 용어에 빠지지 않고 단어들을 혼동해서 사용하지 않는 것이다
   3. 프로세스 설명 시 멀티, 이브, 프로세스, 스레드, 코어 등 비슷한 의미를 가진 단어들이 많이 등장한다
   4. '동시에'라는 개념이 평소 이해하는 것처럼 한순간에 여러 가지 일이 일어나는 것이 아니라는 점도 혼란스러움을 가중시킨다
2. 발표를 위한 핵심 용어 정의
   1. 실행 단위: 프로세스와 스레드를 모두 포함하는 개념으로, 1 CPU 코어에 한 순간에 한 개씩 적재되는 것을 의미한다
   2. 프로세스 (부연 설명 없을 시): 단 하나의 스레드만 가지고 있는 단일 스레드프로세스를 의미하며, 프로세스와 스레드가 완전히 다른 무언가가 아님을 강조한다
   3. 동시에/동시성: 한 순간에 여러 가지 일이 처리되는 것이 아니라, 여러 가지가 빠르게 전환되면서 동시에 일어나는 것처럼 보이는 현상을 의미한다

2. 프로그램이 프로세스가 되는 과정 및 실행 원리

1. 프로그램과 프로세스의 정의
   1. 프로그램은 피자 레시피가 적힌 종이와 같으며, 실행시키기 전에는 코드가 구현된 파일일 뿐이다
   2. 프로세스는 종이 레시피가 먹을 수 있는 피자가 되는 것처럼, 프로그램이 실행되어 사용할 수 있는 무언가가 된 상태를 의미한다
2. 프로세스 생성 시 발생하는 일 (메모리 확보 및 PCB 생성)
   1. 프로세스가 필요로 하는 재료들이 메모리에 올라간다
      1. 실행 명령을 포함한 코드 영역
      2. 스태틱이나 글로벌 변수를 담는 데이터 영역
      3. 동적 메모리를 위한 힙 영역
      4. 지역 변수, 매개 변수 등의 임시 데이터를 담는 스택 영역이 메모리 공간을 확보한다
   2. 해당 프로세스에 대한 정보를 담는 PCB(Process Control Block) 블록이 함께 만들어진다
      1. PCB에는 프로세스의 상태(준비/대기 상태), 큐 구현을 위한 포인터, 현재 프로세스 상태(Process State), 고유번호(PID), 다음 명령어를 가리키는 프로그램 카운터 등 많은 정보가 들어 있다
3. 다수 프로세스의 동시 실행 원리 (시분할 및 컨텍스트 스위칭)
   1. 대부분의 사람들은 여러 가지 프로세스를 동시에 사용하고 싶어 한다 (예: 유튜브, 인텔리J, 슬랙, 크롬, 카카오톡 동시 사용)
   2. 원래는 한 프로세스가 CPU를 점유하고 있으면 다른 프로세스는 실행 상태에 있을 수 없다
   3. 다수의 프로세스를 동시에 실행하기 위해, 여러 프로세스를 시분할(짧은 텀)로 반복하면서 전환 실행시킨다
   4. 컨텍스트 스위칭(Context Switching) 과정:
      1. 프로세스 1이 실행 상태에서 준비 상태로 내려간다
      2. 프로세스 2가 CPU에 적재되어 실행 상태가 된다
      3. 프로세스 2가 다시 준비 상태로 들어가고, 프로세스 1이 CPU에 올라와 실행된다
   5. 컨텍스트 스위칭은 단 2개의 프로세스만으로도 굉장히 피곤하고 힘든 작업이다

3. 스레드의 등장과 컨텍스트 스위칭 비용 절감

1. 스레드의 정의 및 경량화된 프로세스
   1. 스레드는 컨텍스트 스위칭의 부담을 줄이기 위해 등장한 경량화된 프로세스의 버전이다
   2. 하나의 프로세스가 여러 스레드를 가질 때, 스레드들은 코드, 데이터, 힙 영역을 공통된 자원으로 공유한다
   3. 각 스레드는 스택 영역만 따로 가지고 있다
2. 스레드의 효율성 및 컨텍스트 스위칭 비용 절감
   1. 자원을 공유하기 때문에 매우 효율적이다
   2. 컨텍스트 스위칭이 일어날 때 캐싱 적중률이 올라간다 (모조리 다 빼고 다시 넣을 필요가 없다)
   3. 프로세스 컨텍스트 스위치는 공용 자원(TV, 스피커, 리모컨)까지 모조리 챙겨 나갔다가 다음 팀이 다시 챙겨 들어와야 하는 것과 같다
   4. 스레드 컨텍스트 스위치는 공용으로 사용할 것들은 두고 개인 노트북만 가지고 와서 연결하면 되는 것과 같아 훨씬 간단하고 부담이 적다

4. 멀티 프로세스와 멀티 스레드의 비교 및 차이점

1. 멀티 처리 방식의 정의
   1. 멀티 프로세스와 멀티 스레드는 모두 처리 방식의 일종이며, 하나의 어플리케이션에 대한 처리 방식이라고 생각해야 한다
   2. 단순히 여러 프로그램을 켜 놓은 것을 멀티 프로세스라고 정의하면 멀티 스레드와 비교하기 어렵다
2. 멀티 프로세스 처리 방식
   1. 한 프로세스는 매번 하나의 로그인을 처리할 수 있어 동시 처리가 불가능하다 (예: 여러 사용자가 로그인을 요청하는 상황)
   2. 부모 프로세스가 포크(fork)를 해서 자식 프로세스를 여러 개 만들어서 일을 처리하도록 한다
   3. 이때 자식 프로세스는 부모와 별개의 메모리 영역을 확보하게 된다
3. 멀티 스레드 처리 방식
   1. 스레드는 한 프로세스 내에서 구분이 지어진 실행 단위이다
   2. 만약 프로세스가 단일 스레드로 구분되어 있지 않으면, 해당 프로세스의 하나밖에 없는 스레드가 실행 단위가 된다
   3. 프로세스 내에서 분리하여 여러 스레드로 나누어 실행 단위가 많아지면 그것이 멀티 스레드가 된다
   4. 하나의 어플리케이션에 대한 작업 단위가 나뉘어질 때 (예: 코드 수정, 추천 코드 표시, 테스트 실행, 스쿼드 전송), 각각의 스레드가 그 작업들을 담당한다
4. 멀티 프로세스와 멀티 스레드의 장단점 비교
   1. 멀티 프로세스:
      1. 독립적이기 때문에 IPC(Inter-Process Communication)를 통해서만 통신해야 한다 (두 명이 다른 회의실에서 논의할 일이 생기면 밖으로 나와 이야기해야 함)
      2. 자원이 소모적이고 메모리를 더 차지한다
      3. 컨텍스트 스위칭 비용이 크다
      4. 독립적이기 때문에 동기화 작업에 신경을 덜 써도 된다
   2. 멀티 스레드:
      1. 공유 자원이 많으므로 긴밀하게 연결되어 있다
      2. 동기화에 신경 써야 한다
      3. 공유 자원으로 인해 메모리가 효율적이고 통신 병목이 절감된다 (두 명이 한 회의실에 앉아 말만 걸면 됨)
      4. 컨텍스트 스위치 비용이 적다
5. 실제 적용 사례 (익스플로러 vs 크롬)
   1. 인터넷 익스플로러 (멀티 스레드): 긴밀하게 연결되어 있어 한 스레드(1 탭)에 문제가 생기면 전체 프로세스에 영향이 간다 (오류 화면 발생 시 창 전체가 거덜 날 수 있음)
   2. 구글 크롬 (멀티 프로세스): 다소 비효율적일 수 있지만, 멀티 프로세서를 이용하기 때문에 멀티 탭 간에 영향을 덜 받는다

4-1. 멀티 프로세스의 통신 방식: IPC (Inter-Process Communication)

자료에서는 멀티 프로세스(Multi-process)가 서로 독립적인 메모리를 가지기 때문에 통신을 위해 ipc를 사용해야 한다고 언급합니다. ipc는 독립된 프로세스들이 정보를 주고받고 협력할 수 있도록 돕는 운영체제의 핵심 메커니즘입니다.

• IPC의 정의와 필요성:
  • IPC는 Inter-Process Communication의 약자로, 서로 다른 메모리 공간에서 실행되는 독립적인 프로세스들이 데이터를 교환하거나 작업을 동기화할 수 있도록 하는 통신 기술입니다.
  • 프로세스는 기본적으로 독립된 공간(메모리)을 사용하기 때문에, 마치 서로 다른 회의실에 있는 팀원들처럼 직접 대화할 수 없어 별도의 통신 수단이 필요합니다.
• 주요 IPC 통신 방식 (비유를 통해 이해하기):
  • IPC는 크게 공유 메모리 방식과 메시지 전달 방식으로 나뉩니다.

IPC 방식	설명	생활 속 비유
공유 메모리 (Shared Memory)	프로세스들이 특정 메모리 영역을 공유하여 직접 읽고 쓰는 방식. 가장 빠름.	공동으로 사용하는 화이트보드에 메모를 남기는 것.
메시지 전달 (Message Passing)	운영체제의 커널을 통해 메시지(데이터)를 주고받는 방식.	우체통(메시지 큐)이나 전화(소켓)를 통해 정보를 주고받는 것.

• IPC의 구체적인 구현 방법:
  • 파이프(Pipe): 한쪽으로만 데이터가 흐르는 단방향 통신 채널 (예: 익명 파이프, 이름 있는 파이프/FIFO).
  • 소켓(Socket): 네트워크를 통해 통신하는 방식으로, 같은 컴퓨터뿐 아니라 다른 컴퓨터 간의 통신에도 사용됩니다.
  • 메시지 큐(Message Queue): 메시지를 저장해두는 공간을 만들어, 프로세스가 원하는 시점에 메시지를 꺼내 읽을 수 있게 합니다.

5. 멀티 코어와 동시성/병렬성의 차이

1. 멀티 코어의 관점 (하드웨어)
   1. 멀티 코어는 멀티 프로세스/멀티 스레드와 헷갈리기 쉬우며, 이름도 비슷하고 무언가를 동시에 처리해줄 수 있는 느낌이 든다
   2. 멀티 프로세스/멀티 스레드가 소프트웨어 분야의 처리 방식이라면, 멀티 코어는 하드웨어 측면에 가깝다
2. 동시성(Concurrency)의 개념
   1. 싱글 코어를 가진 CPU가 여러 실행 단위를 처리할 때, 빠른 텀으로 전환되면서 실행되는 개념이 동시성이다
   2. 여러 실행 단위를 번갈아 실행하면서 동시에 일어나는 것처럼 보이게 하는 것이다
   3. 동시성은 짧은 순간에 CPU 시간을 분할해서 동시에 한 것처럼 보이게 한다
3. 병렬성(Parallelism)의 개념
   1. 멀티 코어는 병렬 처리를 가능하게 한다
   2. 병렬 처리는 물리적으로 여러 코어를 사용해서 다수의 실행 단위를 한 순간에 동시에 처리할 수 있게 해주는 것이다
   3. 한꺼번에 두 개의 코어에서 각각 실행 단위가 같이 진행될 수 있다
   4. 병렬 처리는 다수의 프로세서로 여러 가지를 같이 진행하는 것이다

6. 리눅스 커널에서의 프로세스와 스레드 처리 방식 (번외)

1. 리눅스커널의 관점
   1. "리눅스에서는 프로세스와 스레드를 동일하게 봅니다"라는 표현은 이해하기 어려운 표현이다
   2. 이 문장은 "리눅스커널에서는 프로세스와 스레드를 동일하게 봅니다"로 고쳐서 이해해야 한다
2. 스레드 모델과 라이트웨이트 프로세스
   1. 스레드는 사용자 스레드와 커널 스레드로 나뉜다 (각각 사용자 레벨과 커널 레벨에서 담당)
   2. 사용자 스레드와 커널 스레드 간에는 연관 관계가 존재하며, 여러 가지 모델(1대1, 다대1, 다대다)이 있다
   3. 리눅스는 1대1 모델을 채택하며, 하나의 사용자 스레드당 커널 스레드가 하나 매칭된다
   4. 리눅스커널 입장에서는 각각의 스레드가 하나의 프로세스처럼 표현된다
   5. 이 프로세스들은 이전에 소개된 프로세스와 달리 메모리를 공유하며, 이를 라이트웨이트 프로세스(Lightweight Process, LWP)라고 구분하여 부른다
3. ID의 관점 차이 (PID, TGID, TID)
   1. 리눅스에서 생성된 스레드는 모두 같은 PID(프로세스 고유번호)를 가지고 있다
   2. 더 자세히 들여다보면 TGID(스레드 그룹 ID)와 TID(스레드 ID)가 존재한다
   3. 사용자 레벨에서는 TGID가 PID로 보여진다
   4. 커널 레벨에서는 TID가 PID로 인식된다
   5. 관점을 다르게 해서 이해해야 하며, 커널 입장에서는 각각이 다른 프로세스로 보이게 되는 것이다

6-1. 리눅스의 특별한 스레드 구현: 경량 프로세스 (LWP)

자료의 후반부에서는 "리눅스커널에서는 프로세스와 스레드를 동일하게 봅니다."라는 다소 혼란스러운 문장을 설명하며 경량 프로세스(Light-weight Process, LWP) 개념을 소개합니다.

• LWP의 정의:
  • LWP는 Light-weight Process의 약자로, 커널(운영체제의 핵심)이 스케줄링하는 실행 단위를 의미합니다.
  • 전통적인 유닉스 시스템(Solaris 등)에서는 사용자 레벨 스레드와 커널 스레드 사이에 LWP라는 중간 계층이 존재했지만, 리눅스에서는 이 개념이 조금 다르게 적용됩니다.
• 리눅스커널의 관점:
  • 리눅스커널은 프로세스와 스레드를 구분하지 않고, 모두 '태스크(Task)'라는 동일한 구조체로 관리합니다.
  • 이때, 스레드는 부모 프로세스의 자원(메모리 공간, 파일 디스크립터 등)을 공유하도록 특별히 설정된 프로세스로 간주됩니다. 이것이 바로 LWP입니다.
  • 즉, 리눅스커널 입장에서 보면, 일반 프로세스든 스레드든 모두 스케줄링 대상인 LWP로 보이는 것입니다.
• LWP와 스레드의 관계 (1:1 모델):
  • 리눅스는 1:1 스레딩 모델을 사용합니다. 이는 하나의 사용자 스레드(User Thread) 당 하나의 커널 스레드(LWP)가 정확히 매칭된다는 의미입니다.
  • 사용자 레벨에서 스레드를 생성하면, 커널은 이에 대응하는 LWP를 생성하고, 이 LWP가 CPU에서 실행되는 단위가 됩니다.
  • 이 LWP들은 메모리를 공유하기 때문에, 일반적인 독립 프로세스(각자 다른 메모리를 가짐)와 구분하기 위해 경량 프로세스라고 부르는 것입니다.

이러한 배경지식을 통해, 자료에서 언급된 ipc의 필요성(멀티 프로세스)과 LWP를 통한 리눅스커널의 스레드 처리 방식(멀티 스레드)을 더욱 명확하게 이해할 수 있습니다.

7. 최종 요약

1. 핵심 중의 핵심: 프로세스 vs. 스레드 (독립성 vs. 공유)

가장 중요한 것은 두 개념이 자원을 어떻게 다루는지에 대한 차이점을 이해하는 것입니다. 이 차이가 멀티 프로세스와 멀티 스레드의 장단점을 결정합니다.

구분	프로세스 (Process)	스레드 (Thread)
정의	실행되기 위해 메모리에 적재된 프로그램	프로세스 내에서 실행되는 경량화된 실행 단위
메모리 독립성	독립적 (각자 고유의 메모리 공간 확보)	공유 (프로세스 내 자원 공유)
공유 자원	없음 (IPC를 통해 통신)	코드, 데이터, 힙 영역을 공유
개별 자원	모든 메모리 영역이 개별적	스택(Stack) 영역만 개별적으로 가짐
장점	독립적이므로 하나가 죽어도 다른 프로세스에 영향이 적음 (예: 크롬)	자원 공유로 메모리 효율적, 통신 비용 절감
단점	자원 소모적, 통신을 위해 IPC 비용 발생	자원 공유로 인해 동기화 문제 발생 가능 (예: 익스플로러)

스레드는 프로세스의 메모리 공간을 '공유'함으로써 프로세스보다 훨씬 효율적이고 빠르게 동작할 수 있게 됩니다.

2. 동시성의 비밀: 컨텍스트 스위칭 (Context Switching)

우리가 컴퓨터로 여러 작업을 동시에 하는 것처럼 보이는 이유, 즉 동시성(Concurrency)을 가능하게 하는 핵심 메커니즘이 바로 컨텍스트 스위칭입니다.

• 컨텍스트 스위칭이란?
  • CPU가 한 순간에 하나의 실행 단위(프로세스 또는 스레드)만 처리할 수 있기 때문에, 여러 작업을 동시에 하는 것처럼 보이게 하려고 짧은 텀을 반복하며 실행 단위를 빠르게 전환하는 작업입니다.
• 작동 방식:
  • 현재 실행 중인 프로세스/스레드의 상태(Context, PCB 블록 등)를 저장하고, 다음에 실행할 프로세스/스레드의 상태를 불러와 CPU에 적재하는 과정입니다.
• 비용 차이:
  • 프로세스 스위칭은 독립적인 메모리 전체를 저장하고 불러와야 하므로 비용이 크고 무겁습니다.
  • 스레드 스위칭은 코드, 데이터, 힙 영역을 공유하고 스택만 바꾸면 되기 때문에 비용이 훨씬 적고 경량화되어 있습니다.

3. 하드웨어의 역할: 동시성 vs. 병렬 처리

이 두 개념은 '동시에'라는 단어 때문에 가장 헷갈리기 쉽지만, 하드웨어(CPU 코어)의 유무에 따라 완전히 다릅니다.

구분	동시성 (Concurrency)	병렬 처리 (Parallelism)
정의	여러 실행 단위를 번갈아 실행하며 동시에 일어나는 것처럼 보이게 하는 것	물리적으로 여러 코어를 사용해서 다수의 실행 단위를 한 순간에 동시에 처리하는 것
필요 조건	싱글 코어 CPU에서도 가능 (컨텍스트 스위칭 사용)	멀티 코어 CPU가 필수
관점	소프트웨어적 처리 방식 (멀티 프로세스, 멀티 스레드)	하드웨어적 측면 (멀티 코어)

멀티 코어(하드웨어)가 있어야 비로소 병렬 처리(진짜 동시에 실행)가 가능해지며, 멀티 프로세스나 멀티 스레드 같은 처리 방식(소프트웨어)은 동시성을 높이는 데 기여합니다.