프로그램과 프로세스
프로그램
저장공간(HDD)에 저장되어 있는 코드와 리소스 등이 집합되어 있는 파일
프로세스
- 프로그램이 실행되어 메모리에 올라간 것
- 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
- 운영체제로부터 시스템 자원(CPU, 주소 공간, 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap))을 할당받아 작업한다.
- 프로그램이 실행되어 메모리에 올라가면 프로세스로 동작한다.
- 프로세스마다 최소 1개의 스레드가 만들어진다.
- 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료 구조에 접근할 수 없다.
프로그램 실행 과정
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프로그램 실행 파일 실행
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디스크에서 해당 프로그램을 실행하여 프로세스를 사용자 메모리 공간에 비치하고,
2-1. 해당 프로세스의 메타데이터를 담은 PCB를 만들어 커널 메모리 공간에 배치 -
운영 체제의 프로세스 스케줄러는 PCB를 읽으면서, 높은 우선순위가 주어진 프로세스를 적절한 순위에 맞춰 준비큐에 배치
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기존에 실행중이던 프로세스의 시간할당량이 끝나면 CPU를 실행하고자 하는 프로세스에 할당하여 실행
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프로그램 실행
스레드
프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위
스레드의 필요성
하나의 프로그램에서 복잡한 동시 작업을 요구할 경우, 여러개의 프로세스가 동시 작업을 수행할 경우 각 프로세스의 메모리를 모두 공유해야 하며 Context Switching 부담이 상당해진다.
스레드의 장점
하나의 프로세스에서 여러개의 스레드가 메모리를 공유하여 작동할 수 있으며, 그래서 생성과 속도가 빠르고, 적은 메모리를 점유하며 정보 교환이 쉽고 Context Switching 부하가 적다.
→ 멀티 스레드를 사용하는 이유
스레드의 단점
자원 선점과 자원 공유(동기화)의 문제가 발생한다. 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스가 영향을 받는다.
→ 멀티 프로세스를 사용하는 이유
Context Switching
프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정
CPU에서는 한 번에 하나의 프로세스만 실행 가능 하므로, 여러 프로세스를 실행할 경우 각각 하나씩 돌아가면서 작업을 하게 된다.
이 경우, 동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스를 복구하는데 이 과정을 Context Switching이라고 한다.
자바 스레드
- 일반 스레드와 거의 차이가 없으며, JVM가 운영체제의 역할을 한다.
- 자바에는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재하며, 자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄되는 실행 단위 코드 블록이다.
- JVM의 역할
- 스레드가 몇 개 존재하는지
- 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치는 어디인지
- 스레드의 상태는 무엇인지
- 스레드 우선순위는 얼마인지
- 즉, 개발자는 자바 스레드로 작동할 스레드 코드를 작성하고, 스레드 코드가 생명을 가지고 실행을 시작하도록 JVM에 요청하는 일 뿐이다.
멀티 스레드와 멀티 프로세스
멀티 프로세스
두 개 이상 다수의 프로세서(CPU)가 협력적으로 하나 이상의 작업(Task)을 동시에 처리하는 것 (병렬처리)
각 프로세스 간 메모리 구분이 필요하거나 독립된 주소 공간을 가져야 할 경우 사용한다.
- fork()를 통해 프로세스를 복사한다.
- 각 프로세스는 별도의 주소공간에서 실행되므로 프로세스간의 통신을 위해서는 IPC(Inter Process Communication)를 사용해야 한다.
장점
- 독립된 구조로 인한 높은 안정성
- 프로세스 하나에 문제가 생겨도 다른 프로세스에 영향을 주지 않는다.(속도의 문제는 발생하지만, 안정성에 있어서는 괜찮음)
단점
- 독립된 메모리 영역이기 때문에 작업량이 많을 수록(Context Switching 과정에서) 오버헤드가 발생한다.
멀티 스레드
하나의 프로세스를 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 자원을 공유하며 작업을 처리하는 것
장점
- 자원의 효율성 증대 : 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리한다.
- 처리 비용 감소 : 스레드 사이 작업량이 적어 Context Switching이 빠르다.(프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리 공유)
단점
- 동기화 문제(병목현상, 데드락)가 발생할 수 있는다.
- 하나의 스레드에 문제가 생기면 프로세스 전체가 영향을 받는다.
대세는 멀티 스레드
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프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다.
- 프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만이 아니라 RAM과 CPU사이의 캐쉬메모리에 대한 데이터 까지 초기화 되므로 상당한 부담이 발생한다.
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프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
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Stack을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 global(전역), static(정적) 변수 그리고 new, malloc에 의한 모든 자료를 공유할 수가 있다.
- 이는 프로세스간 통신(ex.pipe)과 같이 복잡한 과정을 거치지 않고 보다 효율적인 일처리가 가능하다
주의점 : 다만, 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있다.
Reference
https://namu.wiki/w/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4
https://mamu2830.blogspot.com/2020/02/blog-post_18.html
https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html
https://you9010.tistory.com/136
https://gyoogle.dev/blog/computer-science/operating-system/Process%20vs%20Thread.html
https://livenow14.tistory.com/67
