[운영체제] 프로세스와 스레드의 개념 및 차이 면접준비

Goal

• 프로세스와 스레드의 개념을 설명할 수 있다.
• 프로세스와 스레드의 차이를 이해하고 설명할 수 있다.
• 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유를 알아본다.

프로세스와 스레드의 차이(Process vs Thread)

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 독립적인 객체(인스턴스)
  • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
  • 독립적인 address space를 갖고 독립적인 resource를 갖는다.
• 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 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)를 할당받는다.
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 갖는다.
• 각 프로세스는 별도의 주소 공간(address space)에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
• 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process-communication)을 사용해야 한다.
  • Ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용

스레드(Thread) 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 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름이므로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내의 스레드끼리 공유하며 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 없다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이

멀티 프로세스

• 멀티 프로세싱이란
  • 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(태스크)를 처리하도록 하는 것이다.
• 장점
  • 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽고, 다른 영향이 확산되지 않는다.
• 단점
  • Context Switching 에서의 오버헤드
    • Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 된다.
    • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching이 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
  • 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
    • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 있다.
• 참고) Context Switching이란?
  • CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 Context Switching이라 한다.
  • 구체적으로, 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 뜻한다.

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 하고 있다.
  • 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 (처리 비용 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 응답 시간 단축
    • 스레드 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

• 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 것의 의미?
  • 쉽게 설명하면, 프로그램을 여러 개 키는 것보다 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.
     • 프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문
     • 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
  2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
     • 또한 프로세스 간의 통신 (IPC)보다 스레드 간의 통신이 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다.
     • 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문
     • 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
     • Context Switching 시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문
• 주의할 점!
  • 동기화 문제
  • 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있음.

References

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