[운영체제] 프로세스와 스레드

bien·2024년 2월 7일

운영체제

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단일 프로세스 시스템

단일 프로세스 시스템
- 가장 초창기 시스템의 형태.
- 한 번에 하나의 프로그램만 실행된다. 또 다른 프로그램의 실행을 원하는 경우 먼저 실행중이던 프로그램을 종료하고 다른 프로그램을 시랭해야 한다.

단점

CPU 사용률이 좋지 않다.
- 예를들어, CPU와 I/O 작업을 동시에 수행하는 프로그램이 있을 때, I/O 작업을 수행하는동안 CPU는 작업을 종료하고 놀고있게 된다. (= CPU 사용률이 좋지않다.)

해결책

해결책: 멀티 프로그래밍
- 단일 프로세스의 단점을 극복하고자, '여러 개의 프로그램을 메모리에 올려놓고 동시에 실행시키자!'는 아이디어가 도출됨.
- 현재 실행중인 프로세스에서 I/O 작업이 발생하는 경우 다른 프로세스가 CPU에서 실행된다.

멀티 프로그래밍

멀티 프로그래밍(multiprogramming)
- CPU에서 프로세스를 실행시키던 와중 IO 작업이 실행되는 경우 다른 프로세스를 실행하는 방식으로 진행시킨다.
- CPU사용률을 극대화시키는데 목적이 있다.

단점

CPU 사용 시간이 길어지면 다른 프로세스는 계속 대기
- 그림에서처럼 P1의 작업시간이 너무 길어지면 P2는 아주 오랜시간 P1의 작업을 계속 기다려야 한다.

해결책

멀티태스킹
- 프로세스는 한번 CPU를 사용할 때 아주 짧은 시간(=quantum)만 CPU에서 실행되도록 하자!
- CPU가 실행되는 시간을 아주 작게(ms단위만큼 작게) 쪼개서 프로세스들이 번갈아가며 작업을 수행하도록 한다. 그리고 이 짧은 타임 슬롯 사이에서만 각 프로세스들이 시행되도록 제한한다.

멀티태스킹

멀티태스킹(multitasking)
- 프로세스는 한번 CPU를 사용할 때 아주 짧은 시간(=quantum)만 CPU에서 실행되도록 하자!
- CPU가 실행되는 시간을 아주 짧게(ms단위만큼 작게) 쪼개서 프로세스들이 번갈아가며 작업을 수행하도록 한다. 그리고 이 짧은 타임 슬롯 사이에서만 각 프로세스들이 시행되도록 제한한다.
- 동시에 여러 프로그램을 실행한다는 점에서 멀티 프로그래밍과 유사하다. 그러나 CPU타임을 아주 짧게 쪼갰다는 점에서 차이가 있다.
- 목적: 프로세스의 응답시간을 최소화 시키는 것.
  - 사용자 입장에서는 여러 프로그램이 동시에 실행된다는 느낌을 받게 된다.

아쉬움

하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 수행하지는 못한다.
- 여러 프로세스를 실행시키는 것이 가능하긴 하지만, 컨텍스 스위칭 비용 등으로 시도가 힘들다.
프로세스의 컨텍스트 스위칭은 무거운 작업이다.
- 컨텍스트 스위칭: CPU에서 실행되기 위해 어느 한 프로세스에서 다른 프로세스로 교체되는 것.
프로세스끼리 데이터 공유가 까다롭다.
- 2개의 프로그램을 동시에 실행할 때 각 프로세스가 독립적인 공간을 가지므로 서로의 데이터를 공유할 수 없다.
듀얼 코어가 등장했는데, 이것을 잘 활용하려는 시도가 생겨났다.
- 하나의 CPU 성능을 계속 발전시키는것이 발열 등의 문제로 한계가 있어, 하나의 성능을 개선하기 보다는 하나의 CPU에 2개의 코어를 둬 전체적 성능을 향상시키는 방향으로 전환한다.
- 2000년대 초 중반부터 듀얼코어 제품이 나왔는데, 이것을 잘 활용하려는 시도가 나타났다.

해결책

이 아쉬움들을 해결하고자 스레드(Thread) 가 도입되었다.

스레드(Thread)

프로세스는 한 개 이상의 스레드를 가질 수 있다.
- 스레드라는 개념의 등장 배경이 '한 프로세스 안에서 여러개의 작업을 동시에 실행하기 위함'이다. 여러 개의 작업들을 동시에 실행하기 위해서는 여러 개의 작업 하나하나를 맡아줄 존재가 필요하고, 스레드가 바로 이 작업을 수행해줄 단일 개체가 되어준다.
CPU에서 실행되는 단위(unit of execution)
- 예전에는 프로세스가 CPU에서 실행되는 단위였다면, 이제 프로세스 대신에 스레드가 CPU에서 실행되는 단위가 되었다. 또한 스레드가 CPU에서 실행되는 단위가 되었기 때문에, 프로세스는 필수적으로 하나의 스레드를 가지게 된다.
같은 프로세스의 스레드들끼리 컨텍스트 스위칭이 가볍다.
- 스레드가 나오면서 같은 프로세스에 소속된 스레드끼리의 컨텍스트 스위칭은 훨씬 쉬워진다.
스레드들은 자신들이 속한 프로세스의 메모리 영역을 공유한다.
- 효과1. 같은 프로세스에 속한 스레드끼리는 컨텍스트 스위칭이 가볍다.
- 효과2. 메모리 영역을 공유하므로 같은 프로세스안의 스레드끼리는 데이터 공유가 쉽다.

메모리 구조 비교 (싱글스레드 vs 멀티스레드)

좌측은 싱글스레드일때의 메모리 구조, 우측은 멀티스레드일때의 메모리 구조이다.
싱글스레드
- 프로세스에 할당된 메모리 영역을 보여준다.
- stack, heap, stack pointer, program counter를 확인할 수 있다.
멀티스레드
- 멀티스레드들이 소속된 프로세스의 메모리영역을 보여준다.
- 공유되는 메모리 영역: Heap
  - 같은 프로세스에 속한 스레드들이 해당 프로세스의 메모리영역을 공유하는데, Heap 영역을 공유한다.
- 각 스레드들이 개별적으로 가지는 고유한 메모리 영역: Stack
  - 그러나 스레드들이 같은 프로세스의 메모리 영역안에 있어도 자신만의 고유한 영역을 가지는데, 이를 stack이라 부른다.
  - Stack pointer for thread: 각각의 스레드가 자신의 스택을 가리키는 포인터를 개별적으로 가진다.
  - PC for thread: 각 스레드가 자신의 프로그램 카운터를 가진다.
    - Program Counter(프로그램 카운터): 이 다음번에 실행돼야 할 명령어가 있는 메모리 주소를 가리킨다.

같은 프로세스에 속한 스레드들은 그 프로세스의 메모리 영역을 공유한다. 그러나 동시에 각 스레드들은 자신들만의 고유한 영역 역시 가지고 있다.

실제 작동 예제

하나의 CPU, 2개의 Thread를 가지는 프로그램이 있는 경우
- 이때는 멀티테스킹 방식처럼 동작한다.
  - 시간을 짧게 쪼개고 각 쓰레드들이 아주 짧은 시간 타임을 서로 나눠서 실행하게 된다.

코어가 2개인 CPU, 2개의 Thread를 가지는 프로그램이 있는 경우
- 각 코어가 각각의 스레드를 실행한다.
  - 진정으로 동시에, 병렬로 스레드가 실행되게 된다.
  - 이런 종류의 시스템을 멀티스레딩(multithreading)이라 한다.

멀티스레딩(multithreading)

하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 실행하는 것이 목적.
- 이 여러 작업들은 스레드들을 통해 실행된다.

확장된 멀티태스킹 개념

기존에는 '프로세스끼리의 아주 짧은 시간 안에서의 스위칭'이었다면, 이제는 '여러 프로세스와 여러 스레드가 아주 짧게 쪼개진 CPU time을 나눠 갖는 것'으로 그 개념이 확장되었다.

멀티프로세싱(multiprocessing): 두 개 이상의 프로세서나 코어를 활용하는 시스템

예제로 살펴보는 개념들

몇 가지 예제를 통해 예제들이 멀티태스킹, 멀티스레딩, 멀티프로세싱인지 확인해보자.
- 멀티태스킹(multitasking): 여러 프로세스와 여러 스레드가 아주 짧게 쪼개진 CPU time을 나눠 갖는 것.
- 멀티스레딩(multithreading): 하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 실행하는 것.
- 멀티프로세싱(multiprocessing): 두 개 이상의 프로세서나 코어를 활용하는 시스템.

예제1. 싱글코어 CPU에 싱글-스레드 프로세스 2개

- 멀티태스킹 O : 하나의 CPU가 두개의 프로세스를 나누어서 실행한다.
- 멀티스레딩 X :싱글=스레드이므로 멀티스레드가 아니다.
- 멀티프로세싱 X: 두 개 이상의 프로세서나 코어가 있어야 멀티프로세싱. 현재 하나의 코어를 가지는 한개의 CPU를 가지므로 멀티프로세싱이 아니다.

예제2. 싱글코어 CPU에 듀얼-스레드 프로세스 1개

- 멀티태스킹 O : CPU하나로 스레드가 나누어 사용하므로 멀티스레딩이 맞다.
- 멀티스레딩 O : '듀얼스레드'이므로 멀티스레딩도 맞다.
- 멀티프로세싱 X : CPU가 하나이므로 멀티프로세싱은 아니다.

예제3. 듀얼코어 CPU에 싱글-스레드 프로세스 2개

- 멀티태스킹 X : 각각의 코어가 각각의 프로세스를 실행한다. 코어를 가지고 경합하는 것이 없으므로 머리테스킹이 없다.
- 멀티스레딩 X : 싱글스레드이므로 멀티스레딩도 아니다.
- 멀티프로세싱 O : 코어가 2개이므로 멀티프로세싱은 맞다.

예제4. 듀얼코어 CPU에 듀얼-스레드 프로세스 1개

- 멀티태스킹 X : 각각의 코어가 하나의 스레드를 맡아 코어별 경합이 없으므로 멀티태스킹이 아니다.
- 멀티스레딩 O : 하나의 프로세스에 두개의 스레드가 있으므로 멀티스레딩이 맞다.
- 멀티프로세싱 O : 코어가 두개이므로 멀티 프로세싱도 맞다.

예제5. 듀얼코어 CPU에 듀얼-스레드 프로세스 2개

가장 현실에 근접한 예시이다. 이 예제에서는 2가지 경우의 수가 발생할 수 있다.
- 멀티태스킹 O : 발생할 수 있는 2가지 경우 모두에서 코어의 경합이 발생한다.
- 멀티스레딩 O : 각각의 프로세스가 2개 이상의 스레드를 가진다.
- 멀티프로세싱 O : 코어가 2개이다.