운영체제

프로세스와 스레드의 차이(Process vs Thread)

  • 프로그램(Program) 이란

    • 사전적 의미: 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일

  • 프로세스(Process) 란

    • 사전적 의미: 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램
      • 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
      • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
      • 즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미한다.
    • 할당받는 시스템 자원의 예
      • CPU 시간
      • 운영되기 위해 필요한 주소 공간
      • Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

    • 특징

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      • 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.
      • 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
      • 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
      • 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 한다. (Ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용)
  • 스레드(Thread) 란
    • 사전적 의미: 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
      • 프로세스의 특정한 수행 경로
      • 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

    • 특징

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      • 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
      • 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
      • 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
      • 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.
      • 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.
  • 자바 스레드(Java Thread) 란
    • 일반 스레드와 거의 차이가 없으며, JVM가 운영체제의 역할을 한다.
    • 자바에는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재하며, 자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄되는 실행 단위 코드 블록이다.
    • 자바에서 스레드 스케줄링은 전적으로 JVM에 의해 이루어진다.
    • 아래와 같은 스레드와 관련된 많은 정보들도 JVM이 관리한다.
      • 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 일 뿐이다.

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?

  • 쉽게 설명하면, 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이다.

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  1. 자원의 효율성 증대
    • 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
      • 프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문
    • 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
  2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
    • 또한 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다.
      • 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문
    • 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
      • Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문
  • 주의할 점!
    • 동기화 문제
    • 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 상용할 때 충돌이 발생할 수 있다.

교착상태(데드락)의 개념과 조건

  • 교착상태(데드락) 란
    • 첫 번째 스레드는 두 번째 스레드가 들고 있는 객체의 락이 풀리기를 기다리고 있고, 두 번째 스레드 역시 첫 번째 스레드가 들고 있는 객체의 락이 풀리기를 기다리는 상황을 일컷는다.
    • 모든 스레드가 락이 풀리기를 기다리고 있기 때문에, 무한 대기 상태에 빠지게 된다. 이런 스레드를 교착상태에 빠졌다고 한다.
  • 교착상태의 4가지 조건
    1. 상호 배제(mutual exclusion)
      • 한 번에 한 프로세스만 공유 자원을 사용할 수 있다.
      • 좀 더 정확하게는, 공유 자원에 대한 접근 권한이 제한된다. 자원의 양이 제한되어 있더라도 교착상태는 발생할 수 있다.
    2. 들고 기다리기(hold and wait) = 점유대기
      • 공유 자원에 대한 접근 권한을 갖고 있는 프로세스가, 그 접근 권한을 양보하지 않은 상태에서 다른 자원에 대한 접근 권한을 요구할 수 있다.
    3. 선취(preemption) 불가능 = 비선점
      • 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원 접근 권한을 강제로 취소할 수 없다.
    4. 대기 상태의 사이클(circular wait) = 순환대기
      • 두 개 이상의 프로세스가 자원 접근을 기다리는데, 그 관계에 사이클이 존재한다.
  • 교착상태 방지
    • 4가지 조건들 가운데 하나를 제거하면 된다.
    • 공유 자원 중 많은 경우가 한 번에 한 프로세스만 사용할 수 있기 때문에(예를 들어, 프린트) 1번 조건은 제거하기 어렵다.
    • 대부분의 교착상태 방지 알고리즘은 4번 조건, 즉 대기 상태의 사이클이 발생하는 일을 막는 데 초점이 맞춰져 있다.