프로세스와 스레드의 차이

개발장·2020년 8월 2일

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CS/운영체제

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CS 첫 포스팅으로는 프로세스와 스레드의 차이에 대해 설명하는 글을 쓰기로 결정했다.

프로세스와 스레드, 그리고 프로그램이 작동하는 방식에 대해서 잘 이해하고 있는지 확인하기 위해 기술면접에서 단골 질문 사항으로 나온다고 하고, 이 부분이 운영체제 과목에서도 기본으로 다루고 갈 정도로 중요하기 때문이다.

따라서 이번 글에서는 프로세스와 스레드의 차이에 대한 글뿐만 아니라, 프로그램/프로세스/스레드 모두에 대한 기초적인 설명을 쓰게 될 것 같다.

프로세스와 스레드에 대한 정의

먼저 프로세스와 스레드가 무엇인지 정의부터 살펴보고 가자.

프로세스: 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위.
스레드: 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위.

일단 운영체제에 대해 기본 배경 지식이 없다면 정의만 들어봤을 때 이 소리가 무슨 소리인지 쉽게 이해하기 힘들다. 정의가 이해하기 힘들다고 했지만, 그래도 정의에는 나름대로 중요한 부분에 대한 설명 모두가 함축되어서 잘 들어가 있다. 일단 프로세스의 정의에서 작업이라는 단어와 스레드의 정의에서 실행 흐름이라는 단어를 기억해 두고 글을 계속 읽어보자. 글을 다 읽었을 때쯤 왜 저 단어들이 중요한지 알게 될 것이다. 물론, 저 정의 전체에 대해서도 완벽하게 이해하게 될 것이다.

프로그램 → 프로세스 → 스레드

프로그램 → 프로세스

먼저 프로세스와 스레드에 대해 본격적으로 설명하기 전에 프로그램에 대해서 설명하고 가야 한다.

항상 프로그램이라는 단어를 들어왔고 써왔지만 프로그램에 대해 정의를 내려보라 하면 선뜻 입이 떨어지지 않을 것이다. 프로그램이라는 단어의 정의는 다음과 같다.

프로그램이란, 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태를 말한다.

이 정의도 무슨 소리인지 이해하기 힘들 수 있다. 지금부터 천천히 설명해보도록 하겠다.

메모리에 올라가 있지 않은: 아직 운영체제가 프로그램에게 독립적인 메모리 공간을 할당해주지 않았다는 뜻이다. 모든 프로그램은 운영체제가 실행되기 위한 메모리 공간을 할당해 줘야 실행될 수 있다.
정적인 상태: 정적(靜的)이라는 단어 그대로, 움직이지 않는 상태라는 뜻이다. 한 마디로 아직 실행되지 않고 가만히 있다는 뜻이다.

결론부터 말하자면 프로그램이라는 단어는 아직 실행되지 않은 파일 그 자체를 가리키는 말이다. 윈도우의 *.exe 파일이나 MacOS의 *.dmg 파일 등등 사용자가 눌러서 실행하기 전의 파일을 말한다. 쉽게 말해서 그냥 코드 덩어리다.

자, 그러면 이제 그 실행 파일(프로그램)에게 의미를 부여하기 위해 프로그램을 실행해 보자. 프로그램을 실행하는 순간 해당 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 이 상태를 동적(動的)인 상태라고 하며 이 상태의 프로그램을 프로세스라고 한다. 따라서 위키피디아에서는 프로세스에 대해 정의를 내릴 때 그냥 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램이라고 정의를 내리고 있으며, 스케줄링 단계에서의 "작업"과 같은 단어라고 봐도 무방하다고 하고 있다. 실제로 프로세스라는 단어가 작업 중인 프로그램을 의미하는 단어이기 때문이다.

지금까지의 내용을 이해하기 쉽도록 간단히 그림으로 표현하면 다음과 같다.

한 줄 요약: 프로그램은 코드 덩어리 파일, 그 프로그램을 실행한 게 프로세스.

프로세스 → 스레드

과거에는 프로그램을 실행할 때 실행 시작부터 실행 끝까지 프로세스 하나만을 사용해서 진행했다고 한다. 하지만 시간이 흐를수록 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기는 벅차게 되었다. 실제로 이제는 프로그램 하나가 단순히 한 가지 작업만을 하는 경우는 없다. 그러면 이제 어떻게 해야할까?

쉽게 떠오르는 방법은, "한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 되지 않을까?" 생각이 들지만 이는 불가능한 일이었다. 왜냐하면 운영체제는 안전성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문이다.

아무튼 프로세스와는 다른 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이 개념이 바로 스레드다.

프로세스가 진행되는 동안 스레드의 실행 과정
(By I, Cburnett, CC BY-SA 3.0)

스레드는 위에서 언급한 프로세스 특성의 한계를 해결하기 위해 만들어진 개념이기 때문에 스레드의 특성은 쉽게 유추해낼 수 있을 것이다. 스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간 메모리를 공유하며 작동한다. 스레드끼리 프로세스의 자원을 공유하면서 프로세스 실행 흐름의 일부가 되는 것이다. 아까 프로그램이 코드 덩어리라고 했는데, 스레드도 코드에 비유하자면 스레드는 코드 내에 선언된 함수들이 되고 따라서 main 함수 또한 일종의 스레드라고 볼 수 있게 되는 것이다.

한 줄 요약: 스레드는 프로세스의 코드에 정의된 절차에 따라 실행되는 특정한 수행 경로다.

그래서 면접에서 어떻게 쓸까?

이걸 왜 물어볼까?

여기까지 잘 이해하면서 글을 읽었다면 면접에서 왜 프로세스와 스레드의 차이에 대해 물어보는지 짐작이 갈 것이다.

그냥 면접관이 프로세스와 스레드의 차이가 궁금해서 물어볼까? 아니다. 기본적인 이유는 본문 맨 위에서 언급했듯 지원자가 프로그램, 프로세스, 스레드에 대한 기본 개념에 대해 잘 이해하고 있는지 확인하기 위함이다.

그런데 여기서 한 걸음 더 나가보면 결국 운영체제가 시스템 자원을 어떤 방식으로 할당하고 실제 프로그램은 이 자원을 어떤 방식으로 활용하여 작동되는지까지 알고 있어야 하고, 이에 대해서도 답할 줄 알아야 한다. 실제로 프로세스와 스레드의 차이에 대해서 물어보는 데에서 그치지 않고 이에 대한 질문까지 할 가능성도 있다.

그래서 면접에서 물어보면 뭐라고 대답할까?

Q: 프로세스와 스레드의 차이에 대해 말해주세요.
A:

그렇다면 이 상황에서 뭐라고 대답하는 게 좋을까?

먼저 면접관이 왜 이런 질문을 했는지 그 의도부터 파악해야 한다고 생각한다. 그 이유에 대해서는 위에서 설명했으니, 이제 어떻게 대답해야 할 지 각자 나름대로 정리를 했을 것이라고 생각한다. 단순하게 지금까지 설명한 기본적인 차이에 대해서만 비교하는 것도 좋겠지만, 아무래도 프로세스와 스레드의 작동 방식을 이해하고 있는지 궁금해하는 면접관이 대부분일테니 이에 대해서도 물어볼 것이 분명하다.

그렇다면 프로세스와 스레드의 작동 방식에 대해서 더 알아야 할 필요가 있다.

사실 위에서 한 설명은 모두가 이해하기 쉽도록 쉽게 작성된 글이기 때문에, 무심코 넘어간 글 곳곳에서 추가로 설명해야 할 부분이 산더미다. 오늘의 주제에 대해 간단히 이해하고 넘어가고 싶은 사람은 여기서부터는 읽지 않고 뒤로 가기를 눌러도 좋지만, 면접을 준비하고 있다면 무조건 끝까지 글을 읽는 것을 추천한다.

프로세스와 스레드의 작동 방식에 대한 더 자세한 설명

위에서 프로세스가 메모리에 올라갈 때 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는다고 언급했었다. 이 때 운영체제는 프로세스마다 각각 독립된 메모리 영역을, Code/Data/Stack/Heap의 형식으로 할당해 준다. 각각 독립된 메모리 영역을 할당해 주기 때문에 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료에 접근할 수 없다.

프로세스들이 운영체제로부터 별도의 메모리 영역을 할당받은 모습
(이미지 출처: Heee's Development Blog)

이와 다르게 스레드는 메모리를 서로 공유할 수 있다고 언급했었다. 이에 대해 더 자세히 설명하자면, 프로세스가 할당받은 메모리 영역 내에서 Stack 형식으로 할당된 메모리 영역은 따로 할당받고, 나머지 Code/Data/Heap 형식으로 할당된 메모리 영역을 공유한다. 따라서 각각의 스레드는 별도의 스택을 가지고 있지만 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있게 된다.

스레드들이 프로세스의 Code/Data/Heap 메모리 영역을 공유하는 모습
(이미지 출처: Heee's Development Blog)

여기서 프로세스와 스레드의 중요한 차이를 하나 더 알 수 있게 된다. 만약 한 프로세스를 실행하다가 오류가 발생해서 프로세스가 강제로 종료된다면, 다른 프로세스에게 어떤 영향이 있을까? 공유하고 있는 파일을 손상시키는 경우가 아니라면 아무런 영향을 주지 않는다.

그런데 스레드의 경우는 다르다. 스레드는 Code/Data/Heap 메모리 영역의 내용을 공유하기 때문에 어떤 스레드 하나에서 오류가 발생한다면 같은 프로세스 내의 다른 스레드 모두가 강제로 종료된다.

본문에서 언급했듯 스레드를 코드(프로세스) 내에서의 함수(스레드)에 빗대어 표현해보면 이해하기 훨씬 쉬워진다. 코딩을 해 본 경험이 있다면, 코드 내 어떤 함수 하나에서 Segmentation Fault 등의 오류가 발생한 경험이 있을 것이다. 이 오류가 어떤 함수에서 발생했든 간에 해당 코드는 다른 함수 모두에 대한 작업을 중단하고 프로세스 실행을 끝내버린다.

그렇다면 왜 이런 방식으로 메모리를 공유할까?

스레드는 본문 맨 위에서 "흐름의 단위"라고 말했는데, 정확히는 CPU 입장에서의 최소 작업 단위가 된다. CPU는 작업을 처리할 때 스레드를 최소 단위로 삼고 작업을 한다. 반면 운영체제는 이렇게 작은 단위까지 직접 작업하지 않기 때문에 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위가 된다.

여기서 중요한 점은 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가진다는 점이다. 따라서 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위인데, 이 때문에 같은 프로세스 소속의 스레드끼리 메모리를 공유하지 않을 수 없다.

멀티태스킹, 멀티스레드는 무엇일까?

컴퓨터에 대해 공부해본 사람이라면 멀티태스킹이라는 단어를 들어보지 못한 사람은 없을 것이다. 멀티태스킹이란, 하나의 운영체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것을 의미한다. 멀티태스킹은 자칫하면 여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이지만 자세한 원리를 알아보면 그렇지 않다. 이에 대해서는 다음에 운영체제의 스케줄링 방식에 대해 글을 쓸 때 자세히 설명하도록 하겠다.

멀티태스킹이 하나의 운영 체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것이라면, 멀티스레드는 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용하여 동시에 처리하는 것을 의미한다.

위에서 프로세스와 스레드에 대한 개념을 제대로 익혔다면, 멀티스레드의 장단점을 어느 정도 유추해낼 수 있을 것이다.

멀티스레드의 장점

Context-Switching할 때 공유하고 있는 메모리만큼의 메모리 자원을 아낄 수 있다.

스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적어서 응답 시간이 빠르다.

멀티스레드의 단점

스레드 하나가 프로세스 내 자원을 망쳐버린다면 모든 프로세스가 종료될 수 있다.

자원을 공유하기 때문에 필연적으로 동기화 문제가 발생할 수밖에 없다.

프로세스 간의 Context-Switching 시에는 아래에서도 언급하겠지만 많은 자원 손실이 발생한다. 그러나 스레드 간의 Context-Switching에서는 메모리를 공유하고 있는 만큼 부담을 덜 수 있다.

멀티스레드의 장단점에서 꼭 짚고 넘어가야 할 점이 바로 동기화 문제다. 주로 Synchronization Issue라고 하는데, 이에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

멀티스레드를 사용하면 각각의 스레드 중 어떤 것이 어떤 순서로 실행될 지 그 순서를 알 수 없다. 만약 A 스레드가 어떤 자원을 사용하다가 B 스레드로 제어권이 넘어간 후 B 스레드가 해당 자원을 수정했을 때, 다시 제어권을 받은 A 스레드가 해당 자원에 접근하지 못하거나 바뀐 자원에 접근하게 되는 오류가 발생할 수 있다.

이처럼 여러 스레드가 함께 전역 변수를 사용할 경우 발생할 수 있는 충돌을 동기화 문제라고 한다. 스케줄링은 운영체제가 자동으로 해주지 않기 때문에 프로그래머가 적절한 기법을 직접 구현해야 하므로 프로그래밍할 때 멀티스레드를 사용하려면 신중해야 한다. 디버깅 과정도 까다로워지기 때문이다.

정말 다른 프로세스의 정보에는 접근할 수 없을까?

지금까지 안 된다고 했지만 사실 프로세스가 다른 프로세스의 정보에 접근하는 것이 가능하다. 사실 지금 우리네가 사용하는 대부분의 컴퓨터 프로그램을 생각해 보면 다른 프로그램에 있는 정보를 가져오는 경우는 심심치 않게 볼 수 있다.

프로세스 간 정보를 공유하는 방법에는 다음과 같은 방법들이 있다. 다만 이 경우에는 단순히 CPU 레지스터 교체뿐만이 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리까지 초기화되기 때문에 앞서 말했듯 자원 부담이 크다.

IPC(Inter-Process Communication)을 사용한다.
LPC(Local inter-Process Communication)을 사용한다.
별도로 공유 메모리를 만들어서 정보를 주고받도록 설정해주면 된다.

이 글에선 해당 방법들에 대한 자세한 설명은 생략하도록 하고, 다음 기회에 더 자세하게 이 방식에 대한 글을 따로 쓰도록 하겠다.

결론

프로세스와 스레드는 개념의 범위부터 다르다. 스레드는 프로세스 안에 포함되어 있기 때문이다.

운영체제가 프로세스에게 Code/Data/Stack/Heap 메모리 영역을 할당해 주고 최소 작업 단위로 삼는 반면, 스레드는 프로세스 내에서 Stack 메모리 영역을 제외한 다른 메모리 영역을 같은 프로세스 내 다른 스레드와 공유한다.

프로세스는 다른 프로세스와 정보를 공유하려면 IPC를 사용하는 등의 번거로운 과정을 거쳐야 하지만, 스레드는 기본 구조 자체가 메모리를 공유하는 구조이기 때문에 다른 스레드와 정보 공유가 쉽다. 때문에 멀티태스킹보다 멀티스레드가 자원을 아낄 수 있게 된다. 다만 스레드의 스케줄링은 운영체제가 처리하지 않기 때문에 프로그래머가 직접 동기화 문제에 대응할 수 있어야 한다.

References

By I, Cburnett, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2233446
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