프로세스와 스레드 (Process vs Thread)

오늘은 운영체제 중에서도 가장 중요하다고 꼽히는 프로세스와 스레드 및 차이점에 대해 알아보자.

 

먼저, 프로세스와 스레드를 알아보기 전에 프로그램 이라는 개념에 대해 알아야 한다.

프로그램

프로그램이란, 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가지 않은 정적인 상태를 말한다.

즉, 메모리에 올라가지 않은 상태이기 때문에 아직 운영체제로부터 독립적인 메모리 공간을 할당받지 않은 상태이며

정적인 상태이기 때문에 아직 실행되지 않고 가만히 있는 상태이다.

즉, 그냥 코드 덩어리 라고 할 수 있다.

 

그럼 이를 인지한 후, 본격적으로 프로세스와 스레드에 대해 알아보자.

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프로세스

프로세스란, 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램이다.

컴퓨터에서 실행되고 있다는 것은 운영체제로부터 독립적인 메모리 공간을 할당받았다는 것이며,

실행되고 있기 때문에 동적인 상태이다.

 

아래 그림은 프로세스를 나타낸 모습이다.

운영체제로부터 독립적인 메모리 공간을 할당받는 프로세스

• 프로세스의 각각의 영역에 대한 설명
  • Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역 (프로그램 명령)
  • Data : 전역 변수, 정적 변수, 배열 등의 데이터 (초기화된 데이터)
  • Stack : 지역 변수, 매개 변수, 리턴 값 등의 임시 데이터 (임시 메모리 영역)
  • Heap : 동적 할당 시 사용 (new(), malloc() 등)
• 프로그램 -> 프로세스 를 그림으로 표현하면 다음과 같다.
• 즉, 프로그램은 코드 덩어리 파일이며 이 프로그램을 실행한 것이 바로 프로세스 이다.
• 프로세스의 특징
  • 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap)을 가진다.
  • 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
  • 각각의 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되고, 기본적으로 서로 다른 프로세스의 자원에 접근할 수 없다. (운영체제에서 안전성을 위해 이렇게 설계됨)
  • 다른 프로세스의 자원에 접근하기 위해서는 프로세스 간 통신(IPC)을 이용해야 한다.

그럼 다음으로, 프로세스 내에 존재하는 스레드에 대해 알아보자.

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스레드

스레드란, 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위 이다.

즉, 프로세스의 특정한 수행 경로이며, 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위 이다.

• 프로세스 내에서 Stack만 따로 할당받고, Code, Data, Heap영역은 공유하는 스레드

스레드는 프로세스의 공유적인 한계점을 극복하기 위해 만들어진 개념이기 때문에, 프로세스와는 달리 서로 메모리를 공유한다.

즉, 스레드 끼리는 프로세스의 자원을 공유하며 프로세스 실행 흐름의 일부가 되는 것이다.

• 스레드의 특징
  • 스레드는 프로세스 내에서 Stack만 각각 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
  • 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들을 같은 프로세스 내의 스레드 끼리 서로 공유한다.
  • 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 스레드(Sibling Thread)도 그 변경된 결과를 즉시 볼 수 있다.

 

지금까지 살펴본 프로그램과 프로세스와 스레드의 개념을 코드에 비유하여 정리해보면

• 프로그램은 아직 실행되지 않은 실행 파일로써 코드 덩어리라고 볼 수 있고
• 프로세스는 이러한 프로그램(코드 덩어리)을 실행한 것 이라고 볼 수 있고
• 스레드는 이 코드의 일부분(main문, 함수 등) 으로 볼 수 있다.

 

이제, 앞에서 살펴본 내용을 토대로 멀티프로세스와 멀티스레드에 대해 정리해보며 마무리를 하려고 한다.

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멀티 프로세스

멀티 프로세스란, 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나 이상의 작업을 동시에 처리하도록 하는 것이다.

쉽게 말하면 하나의 컴퓨터에 여러개의 CPU가 장착되어, 하나 이상의 프로세스들을 동시에 처리(병렬 처리) 하는 개념이다.

멀티 프로세스의 장점과 단점은 다음과 같다.

• 장점
  • 독립된 구조이기 때문에 안전성이 높다.
  • 프로세스 중 하나의 프로세스에 문제가 생겨도, 다른 프로세스에는 영향을 주지 않는다.
• 단점
  • 독립된 구조이기 때문에 Context Switching으로 인한 오버헤드가 발생하여 성능저하가 발생한다.
  • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받기 때문에 프로세스 끼리 공유하는 메모리가 없으므로, Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등의 무거운 작업이 진행된다.

 

멀티 스레드

하나의 프로세스를 여러 스레드로 자원을 공유하며 작업을 나누어 수행하는 것이다.

윈도우나 리눅스 등의 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있으며, 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있다.

• 장점
  • 시스템 자원소모 감소(자원의 효율성 증대)
  • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리
  • 시스템 처리율 향상(처리비용 감소)
  • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단하며, Context Switching이 빠름
  • 간단한 통신방법으로 인한 프로그램 응답 시간 빠름
  • 스레드는 프로세스 내의 Stack영역을 제외한 메모리 공간을 공유하기 때문에 통신이 빠름
• 단점
  • 자원 공유시, 잘못된 변수 공유나 미묘한 시간차로 인한 오류 발생 가능
  • 동기화 문제로 인한 데드락(병목 현상) 발생 가능
  • 하나의 스레드에 문제가 생기면 프로세스 전체에 영향을 줌
  • 디버깅이 어려우며 주의 깊은 설계가 필요함

 

이렇게 오늘은 프로세스와 스레드에 대해 알아보았다.

혹시 SW면접을 준비하고 있다면 프로세스와 스레드의 차이점들을 명확히 알아두는 것을 추천한다.

 

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