[OS] 더 이상 어버버하지말자!! 스레드와 프로세스

누군가 저에게 프로세스와 스레드의 차이점에 대해 물었던 적이 있었는데, 명확하게 대답을 못한게 너무 아쉬워서 이 참에 확실히 공부하고 넘어가려 이 글을 쓰게 되었습니다.

개념들이 파고파고 들면 밑도 끝도 없는 것 같아서 이 글을 이해하는데 있어 굳이 불필요한 개념들에 대해선 언급하지 않겠습니다.

프로세스와 스레드는 무엇일까?

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9a/Process_vs._thread.svg/1200px-Process_vs._thread.svg.png

#프로세스(Process)란?

프로세스가 무엇인지 파악하기 전에 프로그램이란 무엇인지 파악할 필요가 있습니다. 프로그램이란 단어는 컴퓨터전공자가 아니여도 대부분의 사람들이 많이 들어봤을 것이고 실제로 사용도 하는 단어일 것입니다.

프로그램 은 어떤 작업을 실행할 수 있는 파일을 의미합니다. 바탕화면에 LoL.exe , Visual Studio.exe 같은 파일들이 있는데 이것들이 프로그램입니다. 더블클릭하였을 때 우리는 프로그램을 실행한다고 합니다.

프로세스 는 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램을 지칭합니다. 좀 더 쉽게 얘기하자면 어떠한 프로그램을 실행시키기 위한 주체(인스턴스)입니다. 프로그램은 하나지만 이를 실행시킬 수 있는 주체(프로세스)는 여러 개가 될 수 있어서 하나의 프로그램을 여러 번 실행시키면 여러 개의 프로세스를 생성시킬 수 있습니다.

왼쪽은 visual studio.exe를 한번만 실행시킨 것이고 오른쪽은 visual studio.exe를 추가적으로 2번 더 실행했습니다.

위 사진은 하나의 프로그램(visual studio.exe)를 한번만 실행시킨 것과 추가적으로 2번 더 실행한 이미지입니다. 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당 받게 되는데 위 이미지처럼 한번 실행시켰을 때보다 3번 실행시켰을 때 메모리를 더 차지 하는 모습을 보실 수 있습니다. 당연히 프로세스 수가 많아지만 컴퓨터에 과부하가 걸려 느려집니다.

프로세스의 특징

프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조) 을 할당 받는다
기본적으로 프로세스 당 최소 1개의 스레드를 가진다
각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 다른 프로세스에 접근이 불가능하다
하지만 IPC(프로세스간 통신, Inter Process Communication) 을 이용하여 다른 프로세스간 접근이 가능하다. 대표적으로 채팅 프로그램을 구현할 때 필요한 Socket이 있다

한줄 요약 : 프로그램은 코드 덩어리 파일, 그리고 그 프로그램을 실행하게 한 것이 프로세스

#스레드(Thread)란?

과거에는 하나의 프로세스만을 이용하여 프로그램을 실행시켰다고 합니다. 하지만 시간이 흘러 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용하여 프로그램을 실행하기에는 많이 벅차졌습니다. 그리고 현재는 프로그램 하나가 단순히 한 가지 작업만을 하는 경우는 없습니다.

한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 되지 않을까? 라고 생각할 수도 있지만 위에서도 언급한 바와 같이 기본적으로 프로세스간 접근이 불가능했기 때문에 여러 개의 프로세스를 이용하여 한 프로그램은 처리하기 위한 것은 불가능하였습니다.

이에 따라 프로세스와 다르게 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이것이 바로 스레드(Thread) 입니다.

여담으로 그림에서 스레드가 지렁이처럼 표현되는데 스레드가 번역하면 '실'이여서 지렁이처럼 표현됩니다.

스레드의 특징

스레드는 프로세스의 한계를 극복하기 위해 나온 것이므로 한 프로세스 내에 있는 여러 개의 스레드는 공유가 가능하다
스레드는 프로세스 내에서 각각 stack만 할당받고, Heap 영역을 서로 공유한다
같은 프로세스 내의 스레드는 같은 Heap 영역을 공유하는 반면에 다른 프로세스의 메모리에는 접근이 불가능하다

프로세스와 스레드의 차이

위에 언급한 개념을 토대로 프로세스와 스레드는 엄연히 개념부터 다르다는 걸 알 수 있었습니다. OS 안에 프로세스가 존재하고 프로세스 내에 스레드가 존재합니다.

주목할 점은 프로세스는 IPC와 같은 통신기법을 사용하지 않는 이상 프로세스간 접근이 불가능한 반면에, 스레드는 기본 구조가 stack을 제외한 나머지 메모리 영역을 공유하고 있어 IPC와 같은 통신기법이 없어도 자유롭게 접근이 가능합니다.

멀티프로세스와 멀티스레드를 이해하는데 있어 Context-Switching의 대략적인 설명이 필요한 것 같아 간단하게 언급하겠습니다.

* Context-Switching 란?

현재 실행되고 있는 프로세스나 스레드의 상태를 Register에 저장하고 새로운 프로세스나 스레드를 CPU에 적재하는 것을 말합니다.

OS는 위와 같은 작업을 계속 반복하게 되는데 스레드가 적을땐 상관 없지만 스레드가 많아진다며 비용이 비싸지고, 속도가 급격하게 느려집니다.

멀티프로세스와 멀티스레드

멀티프로세스 는 하나의 OS 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것이고, 멀티스레드 는 하나의 프로세스 내에서 여러 작업을 여러 스레드를 이용하여 처리하는 것을 말합니다.

멀티프로세스의 장단점은 멀티스레드의 장단점과 대조 되는데 멀티프로세스보다는 멀티스레드를 선호합니다. 그런 이유에 대해서는 위에서 언급한 스레드의 '메모리영역 공유' 라는 특징을 생각해보면 쉽게 유추할 수 있습니다.

(교수님이 말하시길 프로그래밍에 있어서 어떤 행위를 했을 때 그것을 함으로써 얻는 이점에 대해 말해보라 할때 모르겠으면 "속도가 개선되고 메모리 절약이 된다" 라고 하면 거의 다 맞다고 하신다.. 근데 진짜 다 그렇다)

멀티스레드의 장점

스레드끼리 메모리를 공유하고 있기 때문에 Context-Switching을 할 때 그 만큼 메모리를 아낄수 있다
메모리영역을 공유하고 있기 때문에 응답시간이 빠르다
IPC와 같은 복잡한 통신기법이 필요하지 않다

멀티스레드의 단점

메모리영역을 공유하기 때문에 하나의 스레드가 문제가 발생하면 프로그램 전체에 영향을 준다
메모리영역을 공유하기 때문에 동기화 문제가 발생할 수 있다
동기화 문제를 반드시 해결해주어야 한다
설계가 어렵고, 디버깅이 까다롭다

멀티스레드를 사용하게 되면 여러 개의 스레드들이 어떤 순서로 실행되는지 알 수가 없습니다. 따라서 여러 쓰레드가 함께 전역 변수와 같은 데이터를 같이 사용할 경우 충돌이 발생할 수 있는데 이를 동기화 문제라고 합니다. 이 행위에 대해서는 스케줄링이 알아서 해주지 않기 때문에 개발자가 직접 구현을 해야하는데 이 부분이 쉽지가 않습니다.

멀티프로스세의 장단점 멀티스레드와 반대로 생각하시면 됩니다. '메모리 영역을 공유' 한다는 것이 스레드에게 있어 양날의 검같은 존재이지만 이점이 더 많으니 멀티프로세스보다는 멀티스레드를 선호하고 있습니다.

맺으며..

프로세스와 스레드는 '공유' 개념을 생각하면 쉽게 이해할 수 있습니다. 기본적으로 프로세스는 프로세스간 접근이 불가능하지만 스레드는 같은 프로세스내 존재하면 접근이 가능합니다.

메모리 영역을 공유하기 때문에 메모리를 아낄 수 있고, 응답시간이 빠릅니다. 하지만 또 메모리 영역을 공유하기 때문에 동기화문제가 발생하고 하나의 스레드가 프로세스 전체에 영향을 줄 수 있습니다.

멀티프로세스보다 멀티스레드를 선호한다고는 하지만 둘의 쓰임새는 확연히 다르므로 이를 적절하게 알맞는 곳에 사용하는 것이 가장 좋은 것 같습니다.

다른 프로세스 내 스레드에 접근할 수 있는 방법은 없는 지 추가로 공부해야겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다.

Process, Thread Conference

Context-Switching Conference

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