[CS] 프로세스와 스레드

giggle·2023년 7월 25일

CS 운영체제

📌 프로세스

1.1 프로세스란?

프로세스란 실행중에 있는 프로그램
메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
스케줄링의 대상이 되는 작업(task)와 같은 의미로 쓰입니다.
프로세스 내부에는 최소 하나의 스레드(thread)를 가지고 있는데, 실제로는 스레드(thread) 단위로 스케줄링을 합니다.
하드디스크에 있는 프로그램을 실행하면, 실행을 위해서 메모리 할당이 이루어지고, 할당된 메모리 공간으로 바이너리 코드가 올라가게 된다. 이 순간부터 프로세스라 불립니다.

프로세스의 메모리 영역

Code 영역

실행할 프로그램의 코드나 명령어들이 기계어 형태로 저장된 영역이다. CPU는 코드영역에 저장된 명령어들을 하나씩 처리합니다.
코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)

Data 영역

코드에서 선언한 전역 변수와 정적 변수가 저장되는 영역이다. 프로그램이 실행되면서 할당되고 종료되면서 소멸합니다.
전역변수, 정적변수, 배열 등

Stack 영역

함수 안에서 선언된 지역변수, 매개변수, 리터값등이 저장된다. 함수 호출시 기록되고 종료되면 제거됩니다.
지역변수, 매개변수, 리턴 값 (임시 메모리 영역)

Heap 영역

관리가 가능한 데이터 이외의 다른 형태의 데이터를 관리하기 위한 자유공간입니다.
동적 할당 시 사용 (new(), malloc() 등)

Stack 영역만 따로 할당 받는 이유
쓰레드는 독립적인 동작을 수행하기 위해 존재합니다. 즉 독립적으로 함수를 호출 할 수 있어야 합니다. 그렇기 때문에 함수의 매개변수, 지역변수등을 저장하는 스택 메모리 영역은 독립적으로 할당 받아야 합니다.

1.2 프로세스 상태

프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행됩니다.
- Running
  - CPU 를 잡고 instruction 을 수행중인 상태
- Ready
  - CPU 를 기다리는 상태
- Blocked (waiting, sleep)
  - CPU를 주어도 당장 instruction 을 수행할 수 없는 상태
  - Process 자신이 요청한 event(예: I/O) 가 즉시 만족되지 않아, 이를 기다리는 상태
  - (예) 디스크에서 file 을 읽어와야 하는 경우
- New : 디스크에서 메모리로 프로그램이 올라가 실행준비를 하는 상태
- Terminated : 수행 (execution)이 끝난 상태

📌 스레드

2.1 스레드란?

프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위
일반적으로 한 프로그램은 하나의 스레드를 가지고, 둘 이상의 스레드를 동작한다면 멀티 스레드라고 합니다.
스레드는 프로세스 내에서 stack만 따로 할당 받고, code, data, heap 영역은 서로 공유합니다.
개별 스레드는 별도의 Register와 Stack을 갖고, Heap 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있습니다.
프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기때문에 메모리가 낭비될 수 있다는 단점이 있지만, 반면에 스레드는 서로 공유하며 동작하기 때문에 메모리 낭비를 줄일 수 있습니다.
스레드는 운영체제의 스케줄러에 의해 독립적으로 관리될 수 있는 프로그래밍된 명령어의 가장 작은 단위입니다.

📌 멀티프로세스와 멀티스레드

3.1 멀티프로세스란?

여러 개의 프로세스가 서로 협력적으로 일을 처리하고 작업을 병렬처리 하는 것을 의미합니다. 각 프로세스 간 메모리 구분이 필요하거나 독립된 주소 공간을 가져야 할 때 사용됩니다.

장점

독립된 구조이기 때문에 높은 안정성
여러 프로세스가 같이 작업하고 있기 때문에 하나의 프로세스가 문제가 생겨도 큰 영향X (대신 느려질 수는 있다. 다른 프로세스의 일을 자기가 더 해야하기 때문)
여러 개의 프로세스가 처리되어야 할 때 동일한 데이터를 사용하고, 이러한 데이터를 하나의 디스크에 두고 모든 프로세서(CPU)가 이를 공유하면 비용적으로 저렴

단점

멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU시간을 차지
독립된 메모리 영역이기 때문에 작업량이 많을 수록 (Context Switching이 자주 일어나서 주소 공간의 공유가 잦을 경우) 오버헤드가 발생하여 성능 저하 > context switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 시간이 소모되는 등 오버헤드 발생

3.2 멀티스레드란?

멀티스레드는 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용해 동시에 처리하는 것을 의미한다.

장점

시스템 자원 소모가 감소하여 자원의 효율성이 증대
프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리
시스템 처리율 향상 (처리 비용 감소)
스레드 간 데이터를 주고받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모 해결
스레드 사이 작업량이 적어 Context Switching이 빠름 (캐시 메모리를 비울 필요가 없음)
간단한 통신 방법으로 프로그램 응답시간 단축
스레드는 프로세스 내 스택 영역을 제외한 메모리 영역을 공유하기에 통신 비용이 감소
힙 영역을 공유하므로 데이터를 주고받을 수 있음

단점

자원을 공유하기에 동기화 문제가 발생할 수 있음 (병목현상, 데드락 등)
하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스에 악영향
주의깊은 설계가 필요하고 디버깅이 어려움 (불필요 부분까지 동기화하면, 대기시간으로 인해 성능 저하 발생)
단일 프로세스 시스템의 경우 낮은 성능

✏️ 프로세스와 스레드의 차이점

운영체제는 프로세스마다 독립된 메모리 영역을 Code/Data/Stack/Heap의 형식으로 할당한다. 각각 독립된 메모리 영역을 할당해주기 때문에 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료에 접근할 수 없다.

이와 다르게, 스레드는 메모리를 서로 공유할 수 있다. 자세히 말하자면 프로세스가 할당받은 메모리 영역 내에서 Stack 형식으로 할당된 메모리 영역은 다로 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.

# 요약

프로세스 : 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용

스레드 : 다른 스레드와의 공간과 자원을 공유하면서 사용

참고

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giggle

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