[Operating System] 프로세스와 스레드

프로세스와 스레드

 

📌 프로세스와 스레드

프로세스 : 프로그램을 메모리 상에서 실행중인 작업, 각각 별도의 주소공간 할당(독립적)
스레드 : 프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위, stack만 따로 할당 받고 나머지 영역은 공유

- 하나의 프로세스가 생성될 때, 기본적으로 하나의 스레드 같이 생성됨(Main Thread)

 

✔ 프로세스의 구조

• Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)
• Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등
• Stack : 지역변수, 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료, 리턴 값(임시 메모리 영역)
• Heap : 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리

 

✔  프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

개념

- 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하고 있는 OS의 자료구조

- 프로세스 생성과 동시에 고유한 PCB 생성

- 동작 과정

• 프로세스가 CPU를 할당 받아 작업을 처리 → 프로세스 전환 발생 → 진행하던 작업을 PCB에 저장하고 CPU 반환 → 다시 PCU를 할당 받으면 PCB에 저장되어 있던 내용을 불러와 이전에 종료했던 시점부터 다시 작업 수행

 

 

PCB에 저장되는 정보

- 프로세스 식별자 : Process ID, PID

- 프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태

- 프로그램 카운터(PC) : 프로세스가 다음에 실행할 명령어 주소

- CPU 레지스터

- CPU 스케쥴링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등

- 메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등

- 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록

- 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등

 

 

 

✔ 스레드(Thread)

- 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성(독립적)

- 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 Code, Data, 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유

 

스택은 왜 독립적?

스택은 호출 시 전달되는 인자, 리턴값, 함수 내 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간으로, 독립적인 함수 호출이 가능해야 독립적인 실행흐름이 추가됨.

 

PC 는 왜 독립적?

PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행했는지를 나타내는 지표. 스레드는 CPU를 할당 받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점되는데, 이때 명령어가 연속적으로 수행되지 못할 수 가 있으므로 어디까지 수행했는지 기억하는 역할을 PC 가 함.

 

✔ 프로세스와 스레드의 차이점에 주목

프로세스는 자신만의 고유 공간과 자원을 할당받아 사용 VS 스레드는 다른 스레드와 공간, 자원을 공유하면서 사용

 

 

 

📌 멀티프로세스와 멀티스레드

✔ 멀티 프로세스

하나의 프로그램을 여러개의 프로세스로 구성하여, 각 프로세스가 병렬적으로 작업을 수행

 

장점

- 안전성(메모리 침범 문제를 , OS 차원에서 해결)

- 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행

 

단점

- 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있어 캐시 메모리 초기화와 같이 작업량이 많을 수록 *오버헤드 발생 

- *Context Switcing 으로 인한 성능 저하

 

*오버헤드 : 어떤 처리를 하기 위해 들어가는 간접적인 처리 시간 · 메모리

예를 들어 A라는 처리를 단순하게 실행한다면 10초 걸리는데, 안전성을 고려하고 부가적인 B라는 처리를 추가한 결과 처리시간이 15초 걸렸다면, 오버헤드는 5초

 

*Context Switching : 동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순번의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스 상태를 복구하는 일련의 과정

멀티프로세스 환경에서 CPU가 어떤 하나의 프로세스를 실행하고 있는 상태에서 인터럽트 요청에 의해
다음 우선 순위의 프로세스가 실행되어야 할 때,
기존의 프로세스의 상태 또는 레지스터 값(Context)을 저장하고
CPU가 다음 프로세스를 수행하도록 새로운 프로세스의 상태 또는 레지스터 값(Context)를 교체하는 작업을 Context Switch(Context Switching)라고 한다.
Context Switching 때 해당 CPU는 아무런 일을 하지 못한다. 따라서 컨텍스트 스위칭이 잦아지면 오히려 오버헤드가 발생해 효율(성능)이 떨어진다.

 

 

✔ 멀티 스레드

하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 각 스레드가 하나의 작업을 처리하는 것, 스레드 간에 공유 메모리를 통해 다수의 작업을 동시에 처리할 수 있음

 

장점

- 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여, 수행 능력 향상

- 전역 변수와 정적 변수에 대한 자료 공유 가능

- 스레드 간의 통신이 필요한 경우에도, 별도의 자원이 아닌 전역 변수 공간 또는 동적으로 할당된 공간이 Heap 영역을 이용하여 데이터를 주고받을 수 있음

- 스레드의 Context Switching은 캐시 메모리를 비울 필요가 없어서 더 빠름 → 자원 소모는 줄고 응답 시간은 단축

- 이러한 장점 때문에, 여러 프로세스에서 할 수 있는 작업을 하나의 프로세스에서 멀티 스레드로 나눠서 수행

 

단점

- 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하면 오류가 발생할 수 있음

- 즉, 안전성 문제, 하나의 스레드가 데이터 공간을 망가뜨리면 모든 스레드가 작동 불능 상태가됨

멀티스레드의 안전성에 대한 단점은 동기화 작업으로 대비
동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고, 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤
Critical Section 기법 : 하나의 스레드가 공유 데이터 값을 변경하는 시점에 다른 스레드가 그 값을 읽으려 할 때 발생하는 문제를 해결하기 위한 동기화 과정

 

 

✔ 멀티프로세스와 멀티스레드의 차이점에 주목

- 멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제가 있음

- 멀티 프로세스는 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행되지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 문제가 있음

- 두 가지 모두 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만, 적용해야 하는 시스템에 따라 적합 부적합이 구분되므로 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 방식을 적용

 

 

참고

https://github.com/JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner/tree/master/OS#%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4

GitHub - JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner: Technical-Interview guidelines written for those who started studying progr

https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/blob/master/Computer%20Science/Operating%20System/Process%20vs%20Thread.md

GitHub - gyoogle/tech-interview-for-developer: 👶🏻 신입 개발자 전공 지식 & 기술 면접 백과사전 📖