[CS 스터디] 프로세스 (Process), 스레드 (Thread)

참고: 프로세스&스레드

참고: 프로세스와 스레드 차이

 

https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/

	프로세스	스레드
	프로그램이 메모리 상에서 실행 중인 작업	프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위
차이점	자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용	프로세스 내 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용

 

프로세스

메모리에 올라와 실행 중인 프로그램

• 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 자원을 할당받은 작업의 단위
• 각 프로세스는 할당된 메모리에만 접근이 가능하다 (독립적)

프로세스는 프로세스 스택, 데이터 섹션, 힙, 코드를 포함한다.

• 프로세스 스택 : 함수의 매개변수, 복귀 주소, 로컬 변수 등 임시 메모리 영역
• 데이터 섹션 : 전역 변수, 정적 변수 등
• 힙 : 프로세스 실행 중 동적으로 할당되는 메모리
• 코드 : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역

 

프로세스 제어 블록 (Process Control Block, PCB)

특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 운영체제의 자료구조

1. 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성한다.
2. 프로세스는 CPU를 할당받아 작업을 하는 중간에 프로세스 전환이 발생하면, 진행하던 작업을 저장하고 CPU를 반환해야 한다. 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장한다.
3. 프로세스가 다시 CPU를 할당받으면 PCB에 저장되어 있던 내용을 불러와 이전 종료 시점부터 작업을 수행한다.

 

PCB에 저장되는 정보

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

 

스레드

프로세스 안에서 실행되는 더 작은 작업 단위

• 스레드 ID, 프로그램 카운터(PC), 레지스터 집합, 스택으로 구성된다. 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다.
• 스레드마다 Stack을 독립적으로 할당하는 이유
  • 스레드는 독립적인 동작을 수행하기 위해 존재한다. > 독립적으로 함수 호출이 가능해야 함
  • 때문에 함수의 매개 변수, 지역 변수 등을 저장하는 스택 메모리 영역을 독립적으로 할당받는다.
• 스레드마다 PC Register을 독립적으로 할당하는 이유
  • PC는 스레드가 명령어를 어디까지 수행하였는지 나타낸다.
  • 스레드는 CPU를 할당받아 작업을 수행하다 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그래서 각 스레드가 어느 부분까지 수행했는지 기록하기 위해 스레드 별로 독립적으로 할당받는다.

 

멀티 프로세스

하나의 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 병렬적으로 작업을 수행하는 것

• 장점
  • 안전성 : 운영체제 차원에서 각 프로세스가 다른 프로세스의 메모리를 침범하지 못하도록 관리한다.
• 단점
  • 자원 소모 많음, 오버헤드 : 프로세스 별로 독립된 메모리 영역을 할당받기 때문에, 작업량이 많을수록 오버헤드가 발생한다.
  • Context switching으로 인한 성능 저하 : Context Switching은 프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정이다. 프로세스는 독립적인 메모리 영역을 할당받기 때문에 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 수 있다.

 

멀티 스레드

하나의 프로세스를 다수의 스레드로 구분해 각 스레드가 하나의 작업을 처리하도록 한다. 이를 통해 다수의 작업을 동시에 처리할 수 있다.

• 장점
  • 메모리 공간과 시스템 자원 소모 감소 : 독립적인 프로세스에 비해 스레드는 자원을 공유하고, 이를 통해 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화할 수 있다.
  • 통신이 간단 : heap 영역을 이용하면 스레드 간 데이터를 주고받을 수 있다. 프로세스의 통신 방법에 비해 스레드 간 통신 방법이 훨씬 간단하다.
  • 빠른 context switch : 스레드의 context switch는 프로세스의 context switch와 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없어 더 빠르다.
  → 시스템의 처리율 향상, 프로그램 응답 시간 단축
• 단점
  • 안정성 문제 : 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에, 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽거나 수정할 수 있다.
  → 동기화 작업 필요
• 동기화 작업을 통해 작업 처리 순서를 컨트롤, 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤한다. 하지만 이로 인한 병목 현상을 고려해야 한다.