[CS]프로세스와 스레드

개발자로 일하면서 코딩을 잘하는것도 중요하지만 CS 관련 지식을 얻는 부분도 중요하고, 기술 면접 단골 질문중에 하나인 프로세스(Process)와 스레드(Process) 그리고 자바스크립트의 동작원리까지 정리하고자 한다.

프로세스를 먼저 알기 전에 우리는 프로그램이 정확하게 무엇인지 부터 짚고 넘어가야 한다.

프로그램의 정의

프로그램(program) :

• 실행되지 전 상태의 명령어, 코드 및 정적인 데이터의 묶음
• 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태

정리하면, 실행되기 전에는 메모리에 할당이 되지 않은 정적인 코드 및 데이터의 묶음으로 볼 수 있고, 윈도우의 .exe 파일이나 MacOS의 .dmg 파일 등등 사용자가 눌러서 실행하기 전의 파일들을 이야기 할 수 있다.

프로세스의 정의

프로세스(process) :

• 실행중인 Program
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당 받는 작업의 단위

프로그램을 실행하는 순간 해당 파일은 컴퓨터 메모리에 할당 되고, 정적인 상태에서 동적(動的)인 상태로 변하며, 이 상태의 프로그램을 프로세스라고 한다. 쉽게 이야기해서 프로그램을 실행 시키기만 하면 그것이 프로세스(Process)이다. (위키피디아에서도 프로세스에 대해 정의를 내릴 때 그냥 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램이라고 정의를 내리고 있다.)

윈도우에서 작업관리자 창에서 보았던게 프로세스이다. 위에 사진에서 실행중인 앱들이 가시적으로 볼 수 있는 프로그램이다.

프로세스는 네 가지의 영역으로 구성되어 있다.

• Stack : 매개변수 , 지역 변수 등 임시적인 자료
• Heap : 생성자, 인스턴스와 같은 동적으로 할당되는 메모리
• Data : stactic으로 저장된 전역 변수
• Text : Program의 코드

이러한 프로세스들이 운영체제 안에서 여러가지가 실행이 되는데, 예를들면 유튜브를 보면서 코딩을 할 수도 있다.
모르는 사람들이 보면 이것들이 같이 실행되는 것처럼 보이는데, 실제로는 굉장히 빠르게 CPU가 돌면서 프로세스들을 진행시킨다.

과거에는 프로그램을 실행할 때 실행 시작부터 실행 끝까지 프로세스 하나만을 사용해서 진행하였는데, 프로그램이 점점 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기는 벅차게 되었다. 실제로 이제는 프로그램 하나가 단순히 한 가지 작업만을 하는 경우는 없다.
그래서 사람들은 생각했다. "한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 되지 않을까?" 생각이 들지만 운영체제는 안전성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문에 불가능한 일이었다.

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

스레드의 정의

스레드(Thread) :

• 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위
• CPU 이용의 기본 단위

뭔가 방금 보았던 프로세스랑 그림이 비슷하다. 하지만 스레드는, 프로세스내에서 한개 혹은 그 이상을 가지고 있을수 있고,스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간 메모리(Text,data,heap 영역)를 공유하며 작동한다. 그리고 각각의 스레드는 별도의 stack 영역을 가진다.

프로그램이 코드 및 데이터의 묶음이라고 표현 했는데, 스레드도 코드에 비유하자면 스레드는 코드 내에 선언된 함수들이 되고 따라서 main 함수 또한 일종의 스레드라고 볼 수 있게 되는 것이다.

그리고, 프로세스를 실행하다가 오류가 발생해서 프로세스가 강제로 종료된다면, 프로세스는 공유하고 있는 파일을 손상시키는 경우가 아니라면 아무런 영향을 주지 않는 반면, 스레드의 경우는 Code/Data/Heap 메모리 영역의 내용을 공유하기 때문에 어떤 스레드 하나에서 오류가 발생한다면 같은 프로세스 내의 다른 스레드 모두가 강제로 종료된다.

멀티 스레드란?

멀티태스킹이라는 단어를 들어보지 못한 사람은 없을 것이데, 멀티태스킹이란, 하나의 운영체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것을 의미한다.
멀티태스킹이 하나의 운영 체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것이라면, 멀티스레드는 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용하여 동시에 처리하는 것을 의미한다.

멀티 스레드(Thread) : 스레드를 두개 이상 가지고 있는 프로세스

멀티스레드는 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용하여 동시에 처리하는 것을 의미하기 때문에 각 장단점이 있다.

장점

• 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적어서 응답 시간이 빠르다.
• 향상된 응답성을 가진다.
• Context-Switching할 때 공유하고 있는 메모리만큼의 메모리 자원을 아낄 수 있다.

단점

• 자원을 공유하기 때문에 동기화 문제가 발생한다.
• 스레드 하나가 프로세스 내 자원을 망쳐버린다면 모든 프로세스가 종료될 수 있다.

멀티스레드의 장단점에서 꼭 짚고 넘어가야 할 점이 바로 동기화 문제(Synchronization Issue)라고 하는데,
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 하고 디버깅 과정도 까다로워지기 때문에 멀티스레드를 사용하려면 신중해야 한다.

그리고 프로세스 간의 Context-Switching 시에는 많은 자원 손실이 발생하는 반면, 스레드 간의 Context-Switching에서는 메모리를 공유하고 있는 만큼 부담을 덜 수 있다.

프로세스는 다른 프로세스에 접근 못해?

그렇다면 프로세스는 다른 프로세스 정보에 접근할 수 없을까?
많이들 안 된다고 했지만, 프로세스가 다른 프로세스의 정보에 접근하는 것이 가능하다. 지금 우리가 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.

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

다만 이 경우에는 단순히 CPU 레지스터 교체뿐만이 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리까지 초기화되기 때문에 앞서 말했듯 자원 부담이 크다.

마치며

프로세스 → 스레드, 각 순서대로 프로세스 안에 스레드가 포함되어 있다.

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

프로세스는 다른 프로세스와 정보를 공유하기 쉽지 않지만, 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.

프로세스와 스레드의 차이