[OS] 프로세스와 스레드의 차이

류성훈·2022년 7월 14일
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운영체제

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프로세스와 스레드의 차이

프로그램(Program)이란

  • 사전적 의미
    어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일

프로세스(Process)란

  • 사전적 의미

    • 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램
    • 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적 개체)
    • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
    • 즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미한다.
  • 할당받는 시스템 자원의 예

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

    • 프로세스는 각각 독립된 메모리영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.
    • 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
    • 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
    • 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야한다.
      • ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신방법 이용

    스레드(Thead)란

  • 사전적 의미

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

    -

    • 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당 받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
    • 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
    • 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
    • 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.
    • 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

자바 스레드(Java Thread) 란

  • 일반 스레드와 거의 차이가 없으며, JVM가 운영체제의 역할을 한다.
  • 자바에는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재하며, 자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄 되는 실행단위 코드블록이다.
  • 자바에서 스레드 스케줄링은 전적으로 JVM에 이루어진다.
  • 아래와 같은 스레드와 관련된 많은 정보들도 JVM이 관리한다.
    • 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 프로세스

  • 멀티 프로세싱이란
    • 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(Task)을 처리하도록 하는 것이다.
  • 장점
    • 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않는다.
  • 단점
    • Context Switching에서의 오버헤드
      • Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생한다.
        • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching가 발생하면 캐시에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐시정보를 불러와야 한다.
    • 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
      • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다.
    참고) Context Switching이란?
    • CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 과정
    • 구체적으로, 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말한다.

멀티 스레드

  • 멀티 스레딩이란

    • 하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
    • 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고있다.
    • 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.
  • 장점

    • 시스템 자원 소모 감소(자원의 효율성 증대)
      • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
    • 시스템 처리량 증가(처리비용 감소)
      • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
        • 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.
    • 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답시간 단축
      • 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.
  • 단점

    • 주의깊은 설계가 필요하다.
    • 디버깅이 까다롭다.
    • 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다.
    • 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.)
    • 멀티스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다. (동기화 문제)
    • 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?

  • 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 것의 의미?

    • 쉽게 설명하면, 프로그램을 여러개 키는 것 보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이다.
  • 여러 프로세스(멀티 프로세스)로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나눠가면서 하는 이유?

    1. 자원의 효율성 증대
      • 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
      • 프로세스간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문
      • 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
    2. 처리비용 감소 및 응답시간 단축
      • 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신 부담이 줄어든다.
    • 스레드는 Stack 영역을 제회한 모든 메모리를 공유하기 때문
    • 프로세스간의 전환 속도보다 스레드간의 전환 속도가 빠르다.
    • Context Switching시 스레드는 Stack영역만 처리하기 때문
  • 주의할 점

    • 동기화 문제
    • 스레드 간의 자원 공유는 전역변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 상용할 때 충돌이 발생할 수 있다.


참고
https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html
https://wormwlrm.github.io/2021/10/04/OS-Restaurant.html

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(전)Backend Developer / (현)Data Engineer

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