Process와 Thread

Program

 

Program이란 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만, 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태를 말합니다.

이 말을 쉽게 설명해보면,

1. 메모리에 올라가 있지 않은 : 아직 운영체제가 프로그램에게 독립적인 메모리 공간을 할당해주지 않았다는 뜻입니다. 모든 프로그램은 운영체제가 실행되기 위한 메모리 공간을 할당해 주어야 실행될 수 있습니다.
2. 정적인 상태 : '정적'이라는 단어 그대로, 움직이지 않는 상태라는 뜻입니다. 한 마디로 아직 실행되지 않고 가만히 있다는 뜻입니다.

이 프로그램을 실행하는 순간 해당 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 이 상태를 동적인 상태라고 하며 이 상태의 프로그램을 프로세스라고 합니다. 따라서 대부분의 경우 프로세스에 대해 정의할 때 '실행되고 있는 컴퓨터 프로그램'이라고 정의를 내리고 있으며, 스케줄링 단계에서의 작업과 같은 의미로 봐도 무방합니다. 실제로 프로세스라는 단어가 작업중인 프로그램을 의미하는 단어이기 때문입니다.

결론적으로, 프로그램이라는 단어는 아직 실행되지 않은 파일 그 자체를 가리키는 말입니다. 윈도우의 .exe 파일이나 MacOS의 .dmg 파일 등 사용자가 눌러서 실행하기 전의 파일을 말합니다. 쉽게 말해서 그냥 코드 덩어리 입니다.

 

 

Process

 

• 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램
• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
• 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미

 

• 프로세스의 특징
  • 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap)을 할당받습니다.
  • 기본적으로 프로세스 당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있습니다. (스레드를 추가로 생성하지 않는 한, 모든 프로그램 코드는 메인 스레드에서 실행됩니다.)
  • 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없습니다.
  • 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC 등)을 사용해야 합니다.
    ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 통한 통신 방법 이용

 

 

Thread

 

• 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
• 프로세스의 특정한 수행 경로
• 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

 

• 스레드가 생긴 배경
  과거에는 프로그램을 실행할 때, 실행 시작부터 실행 끝까지 프로세스 하나만을 사용해서 진행했다고 합니다. 하지만 시간이 흐를수록 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기는 벅차게 되었습니다. 실제로 이제는 프로그램 하나가 단순히 한 가지 작업만을 하는 경우는 없습니다.
  이를 해결하기 위해 쉽게 떠올릴 수 있는 방법은 한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만드는 것이겠지만, 이는 불가능한 일이었습니다. 왜냐하면 운영체제는 안전성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문입니다.
  따라서, 프로세스와는 다른 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이 개념이 바로 스레드입니다.
  이처럼 스레드는 프로세스 특성의 한계를 해결하기 위해 만들어진 개념이기 때문에 스레드의 특성은 쉽게 유추할 수 있을 것입니다.
• 스레드의 특징
  • 프로그램을 코드 덩어리로 비교하자면, 스레드는 코드 내에 선언된 함수들이 되고 따라서 main 함수 또한 일종의 스레드라고 볼 수 있습니다.
  • 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고, Code, Data, Heap 영역은 공유합니다.
  • 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(Heap 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행됩니다.
  • 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 Heap 공간을 공유합니다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없습니다.
  • 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 Stack을 갖고 있지만, Heap 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있습니다.
  • 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있습니다.

 

• 자바 스레드(Java Thread)
  • 일반 스레드와 거의 차이가 없으며, JVM이 운영체제의 역할을 합니다.
  • 자바에는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재하며 자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄되는 실행 단위 코드 블록입니다.
  • 자바에서 스레드 스케줄링은 전적으로 JVM에 의해 이루어집니다.
  • 아래와 같은 스레드와 관련된 많은 정보들도 JVM이 관리합니다.
    • 스레드가 몇 개 존재하는지
    • 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치는 어디인지
    • 스레드의 상태는 무엇인지
    • 스레드 우선순위는 얼마인지
  • 즉, 개발자는 자바 스레드로 작동할 스레드 코드를 작성하고, 스레드 코드가 생명을 가지고 실행을 시작하도록 JVM에 요청하는 일을 할 뿐입니다.

 

Multi Process VS Multi Thread

 

• Multi Process
  • 멀티 프로세싱이란?
    • 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(Task)을 처리하도록 하는 것입니다.
  • 장점
    • 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않습니다.
  • 단점
    • Context Switching 에서의 오버헤드
      • Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 됩니다.
      • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching이 발생하면 캐시에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐시 정보를 불러와야 합니다.
    • 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
      • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없습니다.
    • Context Switching이란?
      • CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는데 이 과정을 Context Switching 이라고 합니다.
      • 구체적으로, 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말합니다.
• Multi Thread
  • 멀티 스레딩이란?
    • 하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것입니다.
    • 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만, 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있습니다.
    • 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램입니다.
  • 장점
    • 시스템 자원 소모 감소 (자원의 효율성 증대)
      • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.
    • 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
      • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
      • 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠릅니다.
    • 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
      • 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적습니다.
  • 단점
    • 주의 깊은 설계가 필요합니다.
    • 디버깅이 까다롭습니다.
    • 단일 프로세스 시스템의 경우, 효과를 기대하기 어렵습니다.
    • 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없습니다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없습니다.)
    • 멀티 스레드의 경우, 자원 공유의 문제가 발생합니다. (동기화 문제)
    • 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받습니다.

 

Multi Process 대신 Multi Thread를 사용하는 이유?

 

• Multi Process 대신 Multi Thread를 사용하는 것의 의미?
  • 쉽게 설명하면, 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것입니다.

    

• 멀티 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나누어 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 있습니다.
       → 프로세스 간의 Context Switching 시, 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문입니다.
     • 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.
  2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
     • 또한, 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신 비용이 적으므로 작업들 간의 통신 부담이 줄어들게 됩니다.
       → 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문입니다.
     • 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠릅니다.
       → Context Switching 시, 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문입니다.
• 주의할 점
  • 동기화 문제
  • 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 상용할 때, 충돌이 발생할 수 있습니다.

 

 

References

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