1. 프로세스(Process)

프로세스란 다음을 뜻합니다.

• 운영체제 위에서 독립적으로 실행되고 있는 프로그램
• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업 단위

* 프로그램(Program)이란?
어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일을 말합니다.

❗ 할당받는 시스템 자원의 예

• CPU 시간
• 운영되기 위해 필요한 주소 공간
• Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

프로세스는 다음과 같은 특징을 가집니다.

• 프로세스는 그림과 같이 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당 받습니다.
• 어떤 한 프로세스에서 문제가 발생하면 그 프로세스만 죽고 다른 프로세스들은 영향을 받지 않습니다.
• 기본적으로 프로세스당 '최소 1개'의 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 간 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 합니다.
  • ex. 파이프, 파일, 소켓 등..

스레드로 넘어가기 전에 메모리를 잠깐 정리하겠습니다.

2. 메모리 영역

프로세스가 차지하고 있는 메모리를 살펴보면 크게 Code, Data, Heap, Stack의 영역으로 나누어져 있고, 세부적으로는 BSS를 포함한 5가지로 보기도 합니다.

2.1 정적 세그먼트

: 프로세스가 종료될 때까지, 계속 유지되는 영역입니다.

1. Code

• 코드 자체를 구성하는 메모리 영역을 말합니다.
• 프로그램 명령이 위치하는 곳으로 기계어로 제어되는 메모리 영역입니다.

2. Data

• 전역변수(global), 정적변수(static), 배열(array), 구조체(structure) 등이 저장되는 영역을 말합니다.

• 프로그램이 실행 될 때 생성되고 프로그램이 종료 되면 시스템에 반환됩니다.

• 함수 내부에 선언된 Static 변수는 프로그램이 실행 될 때 공간만 할당되고, 그 함수가 실행 될 때 초기화됩니다.

  1) 초기화 된 데이터 : Data에 저장
  2) 초기화 되지 않은 데이터 : BSS(Block Stated Symbol)에 저장

❗ 사실 BSS도 초기화합니다.
단, 값을 초기화 하는 것이 아니라, 메모리 상의 공간을 초기화 시킵니다. 그렇기 때문에, BSS를 사용하는게 메모리 공간상 더 효율적이라 할 수 있습니다.

➕ Data 영역이 런타임 이전에 초기화 하는 것이라면, BSS는 런타임 이후 초기화 하는 것입니다.

2.2 동적 세그먼트

3. Heap

• 필요에 의해 동적으로 메모리를 할당 하고자 할 때 위치하는 메모리 영역으로 '동적 데이터 영역'이라고 부릅니다.
• 메모리 주소 값에 의해서만 참조되고 사용되는 영역입니다.
• Garbage Collector가 활동하는 경우, 자동으로 메모리를 반환되는 경우도 있습니다.

❗ JavaScript에도 Java처럼 GC가 있습니다.

4. Stack

• 지역(local) 변수, 매개변수(parameter), 복귀 번지, 리턴 값 등이 저장되어 있는 프로그램이 자동으로 사용하는 '임시 메모리'입니다.
• 함수 호출 시 생성되고, 함수 종료시 시스템에 반환됩니다.
• *LIFO(Last In First Out) 정책을 사용합니다.
• 스택 사이즈는 각 프로세스마다 할당 되지만 프로세스가 메모리에 로드 될 때 스택 사이즈가 고정되어 있어, 런타임 시에 스택 사이즈를 바꿀 수는 없습니다.
• 명령 실행시 자동 증가/감소 하기 때문에 보통 메모리의 마지막 번지를 지정합니다.

❗ *LIFO(Last In First Out)

이미지 출처

- Stack과 Heap
Heap 영역이 커지면 Stack 영역이 작아지게 되고, 역도 성립합니다.

• heap overflow : heap이 stack 영역을 침범하는 것
• stack overflow : stack이 heap 영역을 침범하는 것

△ stack의 지역변수는 사용 후 소멸되므로 데이터 용량의 불확실성을 가집니다. 따라서 밑에서부터 채워 올라가고 heap은 위에서부터 채워 내려갑니다.

❗ stack은 4kb를 기본으로 하는 경우가 많고 지역변수를 많이 쓰면 stack용량이 커지므로 적당히 쓰는것이 좋습니다.

3. Thread

스레드는 다음을 뜻합니다.

• “프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위”
• 프로세스의 특정한 수행 경로
• 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위
  

3.1 특징

• 프로세스 내의 주소 공간이나 공통적인 자원들(Code, Data, Heap 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행됩니다.

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당 받습니다.

• 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 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있습니다.

4. Multiprocessing

멀티 프로세싱은 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(태스크)을 처리하도록 하는 것을 말합니다.

4.1 장점

• 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않습니다.

4.2 단점

1. Context Switching에서의 오버헤드

• Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 됩니다.

• 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, * Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 합니다.

2. 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)

• 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당 받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없습니다.

❗ Context Switching란?
CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 Context Switching라 합니다.

구체적으로, 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말합니다.

5. Multithreading

• 하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 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.

5.1 장점

1. 시스템 자원 소모 감소 (자원의 효율성 증대)

• 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.

2. 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.

3. 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축

• 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적습니다.

5.2 단점

1. 주의 깊은 설계가 필요하며, 디버깅이 까다롭습니다.
2. 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵습니다.
3. 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없습니다.
   (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없음)
4. 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생합니다. (동기화 문제)
5. 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받습니다.

5.3 멀티프로세싱 대신 멀티스레딩

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용한다는 것은 프로그램을 여러 개 키지 않고 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것을 말합니다.

이처럼 여러 프로세스(멀티 프로세스)로 할 수 있는 작업들을, 하나의 프로세스에 여러 스레드로 나눠가면서 하는 이유는 무엇일까요?

1. 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 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문입니다.

• 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.

2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축

• 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어듭니다.
  → 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문입니다.

• 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠릅니다.
  → Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문입니다.

5.3.1 주의할 점

❗ 동기화 문제
: 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있습니다.

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마치며

자바스크립트는 Single threaded language입니다.

하지만, 자바스크립트는 실행환경에서 다양한 방식을 이용해 멀티 스레딩과 같은 효과를 얻을 수 있습니다. 어떤 원리에서 가능한 것인지 다음 포스팅에서 알아보도록 하겠습니다.

❗ Reference
https://box0830.tistory.com/150
https://www.enqdeq.net/30
https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html