프로세스 vs 스레드
프로세스
프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위입니다. 즉, 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체) 라고 할 수 있습니다.
- 프로그램: 저장장치에 저장되어 있는 정적인 상태
- 프로세스: 실행을 위해 메모리에 올라온 동적인 상태
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할당 받는 시스템 자원
- CPU 시간
- 운영되기 위해 필요한 주소 공간
- Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역
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특징
- 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역 (Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받습니다.
메모리 영역 참고 https://velog.io/@rlooo/%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC%EC%98%81%EC%97%AD-Code-Data-Heap-Stack
- 기본적으로 프로세스 당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있습니다.
- 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없습니다.
- 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신 (IPC, inter-process communication)을 사용해야 합니다.
- IPC 통신: 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법
스레드
스레드는 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위입니다. 프로세스의 특정한 수행 경로라고 할 수 있는데 프로세스가 할당 자원을 이용하는 실행의 단위라고 생각하면 됩니다.
- 특징
- 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유합니다.
- 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유합니다. ↔ 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없습니다.
- 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있습니다.
- 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 변경 결과를 즉시 볼 수 있습니다.
멀티 프로세스 vs 멀티 스레드
멀티 프로세스
멀티 프로세싱이란 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 합니다.
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장점
- 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않습니다.
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단점
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Context Switching 에서의 오버헤드
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Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등 오버헤드가 발생하게 됩니다.
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프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당 받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching가 발생하면 캐시에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐시 정보를 불러와야 합니다.
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프로세스 Context switching의 경우 모든 메모리 영역을 다 바꿔야 하기 때문에 기존 캐시메모리에 저장되어 있던 모든 데이터들이 쓸모 없게 됩니다. (캐시메모리는 하나만 존재)
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프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
- 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당 받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없습니다.
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Context Switching
- CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는데 이 과정을 Context Switching이라고 합니다.
- 즉, 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로스세의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말합니다.
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멀티 스레드
멀티 스레딩이란 하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것입니다.
- 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있습니다.
- 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램입니다.
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장점
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시스템 자원 소모 감소 → 자원의 효율성 증대
- 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
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시스템 처리량 증가 → 처리 비용 감소
- 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
- 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠릅니다.
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간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
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스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적습니다.
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- 단점
- 주의 깊은 설계가 필요합니다.
- 디버깅이 까다롭습니다.
- 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵습니다.
- 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없습니다. 즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없습니다.
- 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생합니다. (동기화 문제)
- 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있습니다.
- 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받습니다.
멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?
멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 것의 의미는 프로그램을 여러 개 키는 것이 아닌 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것입니다.
- 여러 프로세스(멀티 프로세스)로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나눠가면서까지 멀티 스레드를 사용하는 이유?
- 자원의 효율성 증대
- 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
- 프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화 되므로 오버헤드가 큽니다.
- 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단하고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
- 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
- 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 프로세스 간의 통신(IPC) 보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어듭니다.
- Context Switching 시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문에 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 더 빠릅니다.
- 자원의 효율성 증대
