Process/Thread 정리, 차이점

프로세스(Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU 의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다.

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

• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받음
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
• 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.

• Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)
• Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등
• Heap : 동적 할당 시 사용 (new(), malloc() 등)
• Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값 (임시 메모리 영역)

 

프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

PCB 는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장 하고 있는 운영체제의 자료구조이다.

운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB 를 생성 한다.

프로세스는 CPU 를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU 를 반환해야 하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB 에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU 를 할당받게 되면 PCB 에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

 

스레드(Thread)

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위이다.

• 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다.
• 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 그리고 스택으로 구성
• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.

- 스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 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 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있다.

 

프로세스는 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용하는데 반해, 
스레드는 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용하는 차이가 존재한다.

 

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멀티프로세스

하나의 컴퓨터에 여러 CPU 장착 → 하나 이상의 프로세스들을 동시에 처리(병렬)

장점 : 안전성 (메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결)

단점 : 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있어, 작업량 많을 수록 오버헤드 발생. Context Switching으로 인한 성능 저하

 

Context Switching이란?

프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정

해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순번의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스 상태를 복구하는 과정을 말함

→ 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받아 사용되므로, 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 문제가 존재함

 

멀티스레드

하나의 응용 프로그램에서 여러 스레드를 구성해 각 스레드가 하나의 작업을 처리하는 것

스레드들이 공유 메모리를 통해 다수의 작업을 동시에 처리하도록 해줌

 

장점

• 멀티프로세스에 비해 공유 메모리만큼의 시간, 자원 손실이 감소 -> 자원의 효율성 증대
• 전역 변수와 정적 변수에 대한 자료 공유 가능 -> 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
• 스레드의 context switch 는 프로세스 context switch 와는 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠름
• 시스템의 throughput 이 향상되고 자원 소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축

단점

• 안전성 문제 -> 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다.
• 멀티스레드의 안전성에 대한 단점은 Critical Section 기법을 통해 대비함
  • 하나의 스레드가 공유 데이터 값을 변경하는 시점에 다른 스레드가 그 값을 읽으려할 때 발생하는 문제를 해결하기 위한 동기화 과정
     
  •  병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다

정리
멀티 스레드
- 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르다는 장점
- 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제의 단점
멀티 프로세스
- 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점
- 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점