프로세스(Process)란?

메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)"로써 하드디스크에 저장 돼 있는 코드뭉치, 정적인 데이터가 메모리에 할당되어 생명력이 있는 프로세스가 된다. 즉 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위이며 실행된 프로그램을 의미한다.

코드 영역: 프로그램 코드가 저장됨.

데이터 영역: 전역 변수가 저장됨

스택 영역: 복귀주소와 함수 실행을 위한 지역 변수와 같은 임시적인 자료를 가진다.

힙 영역: 실행 전에 동적으로 할당되는 메모리 영역

• 함수 호출 시 -> 스택 영역 사용

• 동적 할당 시 -> 힙 영역 사용

• 참고) 할당받는 시스템 자원의 예

CPU 시간
운영되기 위해 필요한 주소 공간
Code,Data,Stack,Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

프로그램이란?

• 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일"로써 생명력이 없으며 보조기억장치에 존재하며 실행되기를 기다리는 명령어와 정적인 데이터의 묶음이다.

프로세스의 특징

1. 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.

2. 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.

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

4. 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 한다.
   ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용

스레드(Thread)란?

프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위로써 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위.

스레드의 특징

1. 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고(독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.)
   Code,Data,Heap 영역은 공유한다.

2. 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
   (별도의 통신 기술 필요 x)

3. 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
   (프로세스는 IPC를 통해 공유)

4. 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.

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

멀티 프로세스, 멀티 태스킹, 멀티 스레드

• 멀티 프로세싱 : 다수의 프로세서가 다수의 프로세스를 동시에 처리하는 것
• 멀티 프로그래밍: 다수의 프로세스를 메모리에 적재하여 프로세스를 번갈아가면서 처리하는 것
• 멀티 태스킹: 다수의 작업을 운영체제 스케줄링에 의해 번갈아가면서 처리하는 것

멀티 프로세싱

프로세서는 CPU라고 생각하면 되고, 프로세스와 다른 개념이다.

각 프로세서는 다수의 프로세스를 처리하며, 각 프로세스는 다수의 프로세서에 의해 처리된다.

여러 개의 프로세서가 작업을 병렬처리 하는 것!

• 여러 개의 프로세서에 적절히 분산된다면 한 프로세서가 고장나더라도 시스템이 정지하는 것이 아니라 단지 속도만 느려지게 된다. -> 신뢰성 증가

• 여러개의 단일 프로세싱보다 비용이 절약된다.

멀티 프로세싱의 장점/단점

장점

• 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향 x, 작업이 정상적으로 수행된다.

단점

• Context Switching에서의 오버헤드
  • Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생된다.
  • Context Switching이 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
  • 멀티스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU시간을 차지한다.
• 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
  • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 공유하는 공간이 없기에 IPC라는 별도의 통신 기술이 필요하다.

멀티 태스킹

Task는 프로세스의 개념보다 조금 확장된 개념이다.

Task가 하나의 프로세서 상에서 운영체제의 스케줄링 방식에 따라 빠른 속도로 조금씩 번갈아가면서 수행되는 것으로 동시에 처리되는 것처럼 보임

멀티 태스킹의 스케줄링 방식

멀티프로그래밍 방식(Multi-programming), 시분할 방식(Time-sharing), 실시간 시스템 방식(Real-time) 등이 있다.

멀티 스레딩

하나의 프로세스내에 다수의 스레드로 구성하여 서로 자원을 공유(코드/데이터/힙 영역)
(프로세스 간 통신(IPC)에 비해 통신 오버헤드가 적고 속도가 빠르다.)

시스템의 처리량이 향상되고, 자원 소모가 줄어들어 프로그램의 응답시간이 단축된다.

멀티 스레딩의 문제점

• 동기화 이슈가 발생하여 비정상 동작이 일어날 수 있다.
  (자원을 공유하기 때문에, 다수의 스레드가 특정 자원을 동시에 사용하는 것)
• 이러한 문제를 막기 위해 동기화 처리가 필요하다.(스레드의 작업 처리 순서와 공유 자원에 대한 접근을 제어)
  • 일반적으로 락(Lock)을 이용하여 동기화 처리를 하는데, 락이 과도하면 병목 현상이 발생하여 성능 저하를 유발할 수 있다.

멀티 스레딩의 장점/단점

장점

• 시스템 자원 소모 감소(자원의 효율성 증대)
  • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  • 멀티프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지한다.
• 시스템 처리량 증가(처리 비용 감소)
  • 스레드간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원소모가 줄어들게 된다.
  • 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.
• 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
  • 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 별도의 통신 기술이 필요 x.

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.)
• 동기화 이슈 -> 동기화 처리 필요
  (멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생)
• 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.

멀티 프로세스, 멀티 스레드 언제 사용해야 할까?

• 스레드 간 공유한 데이터를 읽기만 할 경우에는 동기화 처리가 필요 없기 때문에 멀티 스레드를 사용하는 것이 좋다.

• 데이터를 읽고 쓰는 작업이 빈번하다면 멀티스레드의 경우 동기화 기술을 사용해야 하고, 데드락과 같은 예기치 않은 비정상동작이 일어날 수 있으므로, 멀티 프로세스를 고려해보는 것이 좋다.