프로세스와 스레드

https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html

[OS] 프로세스와 스레드의 차이 - Heee's Development Blog

프로그램

어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일

프로세스

• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립 개체)
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
• 동적 개념 : 실행된 프로그램

시스템 자원의 예

• CPU 시간
• 운영되기위해 필요한 주소 공간
• Code, Data, Stack, Heap의 구조의 독립된 메모리 영역

특징

• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역을 할당받음
• 기본적으로 프로세스당 1개 이상의 스레드(메인)를 가짐
• 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행, 한 프로세스가 다른 프로세스의 변수나 자료 구조에 접근 불가
• 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신을 해야 함
  • 예) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용

 

스레드

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

 

특징

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 할당받고 나머지 영역은 공유함
• 프로세스 내 주소 공간이나 자원들(예 : 힙)을 같은 프로세스 내의 스레드들과 공유하며 실행됨
• 프로세스 내의 스레드들끼리는 같은 힙 공간을 공유하지만 프로세스끼리는 메모리에 직접 접근 불가
• 각 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 가지고 힙은 서로 읽고 쓸 수 있음
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면 다른 이웃 스레드도 그 변경된 결과를 즉시 볼 수 있음

 

 

멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

 

멀티 프로세싱

하나의 응용 프로그램을 여러 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리

 

장점

여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 생겨도 다른 프로세스에 영향이 없음

 

단점

• Context Switching(문맥 교환) 발생으로 인한 오버헤드
  • 이 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모
  • 프로세스들은 각각 독립된 영역을 할당받았으므로 프로세스 간 공유 자원이 없어서 Context Switching이 발생하면 캐시 내 모든 데이터를 리셋하고 다시 캐시 정보를 불러와야 함
• 프로세스 간 어렵고 복잡한 통신 기법

 

Context Switching(문맥 교환)

• CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 과정
• 동작 중이던 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스 상태(Context)를 보관하고, 대기했다가 다시 동작하면서 이전에 보관한 프로세스 상태를 복구하는 작업

 

멀티 스레딩

• 하나의 응용 프로그램을 여러 스레드로 구성하여 각 스레드가 하나의 작업을 처리
• 많은 OS들이 멀티 프로세싱을 지원하지만 멀티 스레딩을 기본으로 함
• 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램

장점

• 시스템 자원 소모 감소
  • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리
• 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
  • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 쉬워짐
  • 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠름
• 간단한 통신 방법을 통해 프로그램 응답 시간 단축
  • 스레드는 프로세스 내 Stack 외의 모든 메모리를 공유하므로 통신의 부담이 적음

 

단점

• 주의 깊은 설계가 필요
• 디버깅의 어려움
• 단일 프로세스 시스템의 경우 효과가 낮음
• 다른 프로세스에서 스레드 제어 불가
• 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제 발생 (동기화 문제)
• 하나의 스레드에 문제가 발생 시 프로세스 전체가 영향을 받음

 

멀티 스레드를 멀티 프로세스 대신 사용하는 이유

프로그램 여러 개를 켜는 것 대신 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결

 

• 멀티 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스의 멀티 스레드로 하는 이유
  • 자원의 효율성 증대
    • 프로세스를 생성해 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리
      -> 프로세스 간 Context Switching 시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화되어 오버헤드가 크기 때문
    • 스레드끼리 메모리를 공유해서 프로세스보다 데이터를 주고 받기가 간단 -> 시스템 자원 소모 감소
  • 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
    • 프로세스 간 통신(IPC)보다 스레드 간 통신 비용이 더 적어 작업들 간의 통신 부담이 줆
      -> 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하므로
    • 프로세스 간 전환 속도보다 스레드 간 전환 속도가 빠름
      -> Context Switching 시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문
      
      
• 주의할 점
  • 동기화 문제
    • 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 사용할 때 충돌이 발생할 수 있음