프로세스와 스레드

1. 프로세스(Process)

실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메인 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것이다. 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받으며 이것들을 총칭하여 프로세스라고 한다.

 

1) 프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

• 특정 프로세스에 대한 중요한 정보(metadata)를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조이다.
• 연결 리스트를 이용해 메인 메모리에서 관리되며 프로세스 생성과 동시에 고유한 PCB가 생성되고 프로세스 완료 시 제거된다.
• CPU 할당 후 작업을 하다가 프로세스 전환(문맥 교환)이 발생하면, PCB에 진행하던 작업을 모두 저장하고 CPU를 반환한다. 다시 CPU를 할당받게 되면, PCB에 저장된 내용을 불러와 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

 

2) 프로세스 생성 과정

1. PCB가 생성되며 운영체제가 실행한 프로그램의 코드를 읽어 메모리의 텍스트 영역에 저장한다.
2. 초기화된 전역 변수와 정적 변수를 데이터 영역에 저장한다.
3. 힙과 스택은 초기 메모리 주소만 초기화된다.
4. PCB에 여러 정보가 기록되면 준비 큐에서 CPU 할당을 대기한다.

 

3) 멀티 프로세스

한 컴퓨터에 여러 프로세서(CPU)를 장착하여 하나 이상의 프로세스들을 동시에 병렬 처리한다. 안전하지만 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있어 작업량이 많을수록 오버헤드가 발생하고 문맥 교환으로 인한 성능 저하 발생한다.

 

2. 스레드(Thread)

프로세스보다 작은 단위로 한 프로세스 내에서 동작하는 여러 실행 흐름 단위이다.

 

1) 멀티 스레드

하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분한 것이다. 같은 프로세스 내의 다른 스레드와 코드 영역, 데이터 영역, 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상한다. 그러나 자원을 공유하므로 동기화를 통해 스레드의 작업 처리 순서와 공유 자원에 대한 접근을 제어해야 한다.

 

싱글 스레드와 멀티 스레드

 

각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 레지스터를 갖고 있다.

• 스택을 독립적으로 할당하는 이유? 스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소 값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 가능하게 한다.
• 레지스터를 독립적으로 할당하는 이유? 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 레지스터는 스레드가 명령어의 수행된 정도를 나타낸다.

 

2) 스레드 수와 Throughput의 관계

스레드가 증가함에 따라 초반에는 Throughput가 비례해서 증가한다. 반면 일정 수준 이상이 되면 오히려 Throughput가 감소하는데 임계값을 넘기게 되면 문맥 교환 비용이 증가하기 때문이다.

 

스레드 수와 Throughput의 관계

 

3) 스레드 풀(Thread Pool)

시스템의 동작을 보장하는 최대한의 스레드 수에 대한 제한이다. 스레드 풀을 만들어서 프로세스가 새로 실행될 때 정해진 수만큼 스레드를 만들고 풀에 할당한다. 스레드가 자주 생성되고 제거되는 상황에서 새로 스레드를 만드는 시간이 실제 스레드가 동작하는 시간보다 길어질 때 사용한다.

 

3. 프로세스 vs 스레드

• 멀티 프로세스: 독립적인 다수의 프로세스로 메모리 공간을 공유하지 않는다.
  • 장점: 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행될 수 있다.
  • 단점: 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다.
• 멀티 스레드: 하나의 프로세스 안의 다수의 스레드로 스택과 레지스터를 제외한 메모리 공간을 공유한다.
  • 장점: 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 교환이 빠르다.
  • 단점: 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있고 공유 자원으로 인한 동기화 처리가 필요하다.

 

1) 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?

• 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 감소하여 자원의 효율적 관리가 가능하다.
• 프로세스 간 통신(IPC)보다 스레드 간 통신 비용이 적어 작업들 간 부담이 감소한다.
• 문맥 교환 시 스레드는 스택과 레지스터 영역만 변경하면 되므로 프로세스보다 비용이 적게 든다.

 

2) 문맥 교환(Context Switching)

하나의 프로세스가 CPU를 사용 중인 상태에서 다른 프로세스에게 CPU를 할당하기 위해 이전 프로세스의 상태를 보관하고 새로운 프로세스 정보를 적재하는 작업으로 보통 인터럽트가 발생하거나 실행 중인 CPU 사용 허가시간을 모두 소모하거나 입출력을 위해 대기해야 하는 경우에 발생한다.