[CS] 프로세스와 스레드

프로세스 (Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받은 작업을 말합니다.

운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 합니다.

• 기본적으로 프로세스마다 최소 1개의 스레드를 갖습니다. (메인 스레드)
• 프로세스는 각각 별도의 메모리 영역(주소 공간)을 할당받습니다.
  • Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역 (프로그램 명령)
  • Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등 (초기화된 데이터) / 초기화되지 않은 데이터는 Bss 영역에 저장
  • Heap : 동적 할당 시 사용 (new(), malloc() 등)
  • Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값 등 (임시 메모리 영역)
• 하나의 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없으며, 접근을 위해서는 IPC 통신이 필요합니다. (ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용)

 

프로세스 제어 블록 (Process Control Block, PCB)

PCB는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 커널 내의 자료구조입니다.

OS는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성합니다.

프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 처리하다가 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 하는데 해당 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장합니다.

그리고 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되었던 내용을 불러와 종료되었던 시점부터 다시 작업을 수행합니다.

 

PCB에 저장되는 정보는 다음과 같습니다.

• 프로세스 식별자 (Process ID, PID) : 프로세스 식별 번호
• 프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장
• 프로그램 카운터 (Program Counter, PC) : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킨다.
• CPU 레지스터
• CPU 스케줄링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
• 메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함한다.
• 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
• 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간 제한, 계정 번호 등

 

스레드 (Thread)

스레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있습니다.

한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있습니다.

스레드는 프로세스 내의 Code, Data, Heap 영역을 다른 스레드와 공유하지만 Stack 영역은 따로 할당받습니다. 하지만 프로세스 간에는 메모리에 접근할 수 없습니다.

즉, 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있지만 다른 영역들은 공유합니다. 따라서, 한 스레드가 프로세스의 자원을 변경하면 다른 스레드도 그 변경 결과를 즉시 확인할 수 있습니다.

 

멀티 프로세스 (Multi Process)

• 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
• 장점
  • 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않습니다. (안전성)

• 단점
  • 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 간 공유하는 메모리가 없습니다.
  • 따라서, 캐시 메모리 초기화 등의 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되면서 Context Switching에서의 오버헤드로 인해 성능 저하가 일어납니다.
  • 또한, 프로세스 간 통신 기법으로 IPC를 사용해야 하는데 이는 어렵고 복잡한 통신 방법입니다.

Context Switching은 프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정입니다.
CPU는 한번에 하나의 프로세스만 처리할 수 있습니다.
여러 프로세스를 처리해야 하는 상황에서 현재 진행중인 Task의 상태를 PCB에 저장하고 다음에 진행할 Task의 상태값을 읽어 적용하는 과정을 말합니다.
즉, 다른 프로세스에게 CPU를 할당해 작업을 수행하는 과정을 말합니다.

 

멀티 스레드 (Multi Thread)

• 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
• 많은 OS들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만, 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있습니다.
• 장점
  
  • 스레드 간 통신 시, Heap 영역을 이용해 데이터를 주고 받으므로 통신 방법이 간단합니다.
  • Context switching 시, 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 비용이 적고 더 빠릅니다.
  • 따라서, 시스템의 처리량이 향상되고 자원 소모가 줄어들며, 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축됩니다.
• 단점
  • 서로 다른 스레드가 Data, Heap 영역 등을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있습니다. 즉, 자원 공유의 문제가 발생합니다. (동기화)
  • 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스가 영향을 받습니다.
  • 주의 깊은 설계가 필요하며 디버깅이 까다롭습니다.

 

멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

멀티 프로세싱 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재합니다.

 

반면, 멀티 스레딩 방식은 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 Context Switching이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 가지고 있습니다.

 

이 두 가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분되기 때문에 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 합니다.

 

자주 나오는 질문

Q. 스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유는 뭘까?

스택은 함수 호출시 전달되는 인자, 복귀 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간입니다. 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능함을 의미하고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가된다는 것입니다. 따라서, 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당하는 것입니다.

 

Q. PC 레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유는 뭘까?

PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행했는지를 나타냅니다. 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당하기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있습니다. 따라서, PC 레지스터를 독립적으로 할당하는 것입니다.

 

Q. 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유는?

• 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이 더욱 효율적이기 때문입니다.
• 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
• Context Switching 시, 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 비용이 적고 더 빠릅니다.
  • 스레드는 Stack 영역만 초기화하면 되기 때문입니다.
• 스레드는 데이터 전달이 간단하므로 IPC에 비해 비용이 적고 더 빠릅니다.
  • 스레드는 프로세스의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문입니다.