Process & Thread

lob3767·2022년 5월 1일
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Operating Systems

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Process

일반적으로 CPU에 의해 처리되는 사용자 프로그램, 시스템프로그램 즉 실행중인 프로그램들이 있을 것이다. 해당 프로그램을 실행 시키는 실행 주제 그것을 인스턴스 라고도 표현하는데, 하나의 인스턴스가 바로 프로세스 인것이다.

즉 프로그램을 실행하게 되면 CPU를 차지하면서 수행하는 수행 주체가 프로세스이다.
하지만 프로그램이 하나라고 무조건 해당프로그램의 프로세스가 하나인 것은 아니다. 프로그램을 실행하는 인스턴스는 여러개가 생길 수 있기 때문이다.

프로세스는 운영체제에서 할당하는 작업의 단위로서 프로세스 간 자원공유는 불가능하다.


프로세스 상태 전이

프로세스 상태전이는 프로세스가 시스템내에 존재하는 동안 프로세스의 상태가 변하는 것을 의미하며, 프로세스의 상태를 아래와 같이 상태 전이도로 표시할 수 있다.

프로세스 상태

  • 제출 : 작업을 처리하기 위해 사용자가 작업을 시스템에 제출한 상태이다.

  • 접수 : 제출된 작업이 스풀 공간인 디스크의 할당 위치에 저장된 상태이다.

  • 준비 : 프로세스가 프로세서를 할당받기 위해 기다리고 있는 상태이다. 프로세스는 준비상태 큐(스케줄링 큐)에서 실행을 준비하고 있으며 접수상태에서 준비 상태로의 전이는 Job 스케줄러에 의해 수행된다.

  • 실행 : 준비상태 큐에 있는 프로세스가 프로세서를 할당받아 실행되는 상태이며 프로세스 수행이 완료되기 전에 프로세스에게 주어진 프로세서 할당 시간이 종료 되면 프로세스는 준비상태로 전환된다. 실행중인 프로세스에 입출력 처리가 필요하면 실행중인 프로세스는 대기상태로 전이되며, 실행상태로의 전이는 CPU 스케줄러에 의해 수행된다.

  • 대기 : 프로세스에 입출력 처리가 필요하면 현재 실행중인 프로세스가 중단되고, 입출력 처리가 완료될떄까지 대기하고 있는상태이다.

  • 종료 : 프로세스의 실행이 끝나고 프로세스 할당이 해제된 상태이다.



Thread

쓰레드(Thread)는 위에서 봤던 프로세스(Process)를 여러개로 나는 조각과 같다.
프로세스는 위에서 봤듯이 각각 독립된 자원할당을 갖는다. 그렇기 때문에 하나의 프로그램에 여러개의 프로세스를 갖는 멀티 프로세싱 방식을 비효율적인 면이 있었다.

그래서 비슷한 개념으로 프로세스 하나에 여러 흐름을 만들고 자원을 공유 할 수 있는 기능이 생겼는데, 여기서 하나의 흐름이 바로 쓰레드(Thread)인 것이다.

이처럼 프로세스 내에서 실행되는 작업의 단위이면서, 부모프로세스의 자원을 공유하는 것을 바로 쓰레드(Thread)라고 한다.



멀티 프로세싱 vs 멀티쓰레딩

위에서 프로세스와 쓰레드의 대한 간단한 정의를 봤다면 당연히 이렇게 생각할 수 있다.

"그러면 무조건 하나의 프로세스에서 여러개의 쓰레드를 갖는 멀티 쓰레드 방식이 훨씬 좋은거 아니야??"

물론 당연히 멀티쓰레드를 이용하면 하나의 프로세스에서 여러 쓰레드를 통해 자원을 공유하며 동시에 일을 처리할 수 있기때문에, 프로그래밍 자체는 멀티쓰레드 방식이 좋다고 할 수있다.

하지만 멀티쓰레드에도 장단점이 존재하며, 이에 반대되는 멀티프로세싱 싱글쓰레드 방식도 장단점이 존재한다.

멀티프로세싱의 장점

  • 독립된 구조로 안전성이 높은 장점이 있다.

  • 프로세스 중 하나에 문제가 생겨도 다른 프로세스에 영향을 주지 않아, 작업속도가 느려지는 손해정도는 생기지만 정지되거나 하는 문제는 발생하지 않는다.

  • 여러개의 프로세스가 처리되어야 할 때 동일한 데이터를 사용하고, 이러한 데이터를 하나의 디스크에 두고 모든 프로세서(CPU)가 이를 공유하면 비용적으로 저렴하다.

멀티프로세싱의 단점

  • 독립된 메모리 영역이기 때문에 작업량이 많을수록( Context Switching이 자주 일어나서 주소 공간의 공유가 잦을 경우) 오버헤드가 발생하여 성능저하가 발생 할 수 있다.

  • Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 시간이 소모되는 등 오버헤드가 발생한다.



멀티쓰레딩의 장점

  • 시스템 자원소모 감소 (자원의 효율성 증대)
    프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
    시스템 처리율 향상 (처리비용 감소)

  • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어든다.
    스레드 사이 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다. (캐시 메모리를 비울 필요가 없다.)

  • 간단한 통신 방법으로 프로그램 응답시간 단축
    스레드는 프로세스 내 스택영역을 제외한 메모리 영역을 공유하기에 통신 비용이 적다.

  • 힙 영역을 공유하므로 데이터를 주고 받을 수 있다.

멀티쓰레딩의 단점

  • 자원을 공유하기에 동기화 문제가 발생할 수 있다. (병목현상, 데드락 등)

  • 주의 깊은 설계가 필요하고 디버깅이 어렵다. (불필요 부분까지 동기화하면, 대기시간으로 인해 성능저하 발생)

  • 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스가 영향을 받는다.

  • 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다



프로그래밍에 있어서 사실 웬만한 경우에는 멀티쓰레딩 방식이 좋다고 생각 한다.

하지만 멀티쓰레딩의 경우 프로그래밍의 난이도가 굉장히 올라가기 때문에, 자신의 상황에 맞게 프로그래밍 하는 것이 가장 중요하다.

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