[OS] 프로세스(Process) vs 스레드(Thread)

프로세스와 스레드의 차이

 

💡 프로세스

• 실행 중인 프로그램
• 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받는 작업의 단위
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당 받음
  - CPU 시간, 주소 공간, 독립된 메모리 영역

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

• 메모리 영역(주소 공간)은 [Code, Data, Stack, Heap]으로 구성됨
  - Code: 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)
  - Data: 전역 변수, 정적 변수 등
  - Stack: 지역변수, 매개변수, 리턴 값(임시 메모리 영역)
  - Heap: 동적 할당 영역(new(), mallloc() 등)
• 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없음
  -> IPC 통신으로 접근해야 함 ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용

 

 

💡 프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

출처: https://woovictory.github.io/2018/12/25/OS-Process/

• 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장하는 커널 내의 자료구조
• 운영체제는 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB를 생성함
• 프로세스 전환이 발생하면, 작업의 진행 상황을 모두 PCB에 저장하고 CPU를 반환함
• 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되어있던 내용을 불러와 작업을 수행함

 

 

✔ PCB에 저장되는 정보

• 프로세스 식별자(Process ID, PID): 프로세스 식별번호
• 프로세스 상태: new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태
• 프로그램 카운터: 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
• CPU 레지스터
• CPU 스케쥴링 정보: 프로세스의 우선순위, 스케쥴 큐에 대한 포인터 등
• 메모리 관리 정보: 페이지/세그먼트 테이블 등과 같은 정보
• 입출력 상태 정보: 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
• 어카운팅 정보: 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정 번호 등

 

 

 

💡 스레드(Thread)

• 프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름 단위
• 프로세스마다 최소 1개의 스레드 소유

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

• 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있음
• 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성
• 같은 프로세스에 속한 스레드는 Code, Data, Heap 영역을 공유함

 

 

✔ 스택을 독립적으로 할당하는 이유

스택은 지역변수, 매개변수, 리턴 값 등을 저장하는 메모리 공간이다. 따라서 독립적인 함수 호출을 위해서는 독립적인 스택 메모리 공간이 필요하다. 스레드는 독립적인 실행 흐름이므로 독립된 스택을 할당해야 한다. 

 

✔ 프로그램 카운터(PC)를 독립적으로 할당하는 이유

PC값은 스레드가 실행할 다음 명령어를 나타낸다. 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케쥴러에 의해 다시 반환해야 할 수 있다. 따라서 처음부터 끝까지 연속적으로 수행되지 못하므로 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 이를 위해 PC 레지스터를 독립적으로 할당해야 한다. 

 

 

 

멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이

 

💡 멀티 프로세스(Multi Process)

• 하나의 응용프로그램을 여러 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
• 장점: 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생해도 그 프로세스만 죽고 영향이 확산되지 않음(안정성)
• 단점: Context Switching 오버헤드, 프로세스 사이의 통신이 어려움(IPC)

 

 

✔ Context Switching 오버헤드

• CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 과정에서 일어남
• 프로세스 전환이 일어날 때, 현재 진행 중인 작업의 상태(Context)를 PCB에 저장하고 대기하고 있던 다음 순서의 작업 수행을 위해 해당 작업의 이전 상태 값을 복구하는 작업
• Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 오버헤드 발생
• 프로세스는 독립된 메모리 영역을 할당받으므로 프로세스 사이에는 공유하는 메모리가 없음
  -> Context Switching이 발생하면 캐시에 있는 모든 데이터를 리셋시키고 다시 캐시 정보를 불러와야 함

 

 

 

💡 멀티 스레드(Multi Thread)

• 하나의 응용프로그램을 여러 스레드로 구성하여 각 스레드가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
• 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하지만, 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있음
• 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램임
• 장점
  - 시스템 자원 소모 감소
    : 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 System Call이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있음
  - 시스템 처리량 증가
    : 스레드 간 데이터를 주고받는 것이 간단해져서 처리 비용이 감소함
      스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠름
  - 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
    : 스레드는 스택을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신 부담이 적음
• 단점
  - 서로 다른 스레드가 자원을 공유하기 때문에 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있음 (동기화 문제)
  - 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받음
  - 따라서 주의 깊은 설계가 필요하며, 디버깅이 까다로움
  
  

 

 

 

 

Reference

• 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
• https://github.com/gyoogle/tech-interview-for-developer/blob/master/Computer%20Science/Operating%20System/Process%20vs%20Thread.md
• https://github.com/WooVictory/Ready-For-Tech-Interview/blob/master/Operating%20System/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80%20%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C.md
• https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html