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[Pintos 9주차 키워드] 프로세스와 스레드

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By sihyun 11 min read

프로세스(Process)와 스레드(Thread)

프로세스는 실행 환경과 자원을 제공하는 컨테이너 역할을 하고,
스레드는 실제 CPU를 사용해 코드를 하나하나 실행한다.

프로세스와 스레드

프로세스 A는 단일 스레드이며, 프로세스 B는 멀티 스레드이다.

프로세스 (Process) 란?

  • 프로그램은 실제 실행하기 전까지는 단순한 파일에 불과하다
  • 프로그램을 실행하면 프로세스가 만들어지고 프로그램이 실행된다
  • 운영체제 안에서 실행중인 프로그램을 프로세스라고 한다
    • 메모리에 적재되고 CPU 자원을 할당받아 프로그램이 실행되고 있는 상태이다

프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Heap, Stack)을 할당 받는다.

  • 각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 갖고 있고, 운영체제에서 별도의 작업 단위로 분리해 관리된다
  • 각 프로세스는 별도의 메모리 공간을 갖고 있기 때문에 서로 간섭하지 않는다
    • 그렇기 때문에 하나의 프로세스가 오류나더라도 다른 프로세스에는 영향을 미치지 않는다
    • 유튜브를 보며 네이버 블로그를 작성할 때, 유튜브에서 심각한 오류가 발생하면 유트브만 종료되고, 네이버 블로그는 종료되지않는다

프로세스의 메모리 구성

  • Code 섹션 : 실행할 프로그램의 코드가 저장되는 부분
  • Data 섹션 : 전역 변수 및 정적 변수가 저장되는 부분
  • Heap (힙) : 동적으로 할당되는 메모리 영역
  • Stack (스택) : 메서드(함수) 호출 시 생성되는 지역 변수와 반환 주소가 저장되는 영역 (스레드에 포함됨)


동일한 프로그램을 여러 개의 프로세스로 생성하면, 그만큼 메모리를 차지하게 되고 CPU에서 할당받는 자원이 중복되게 된다.
스레드(Thread) 는 이러한 프로세스 특성의 한계를 해결할 수 있다.

스레드(Thread) 란?

  • 프로세스 내에서 동시에 실행되는 작업의 단위이다
  • 프로세스가 제공하는 동일한 메모리 공간을 공유한다

한 프로세스 내에 최소 하나의 스레드가 존재해야한다. 그래야 프로그램이 실행될 수 있다.

  • 단일 스레드 : 한 프로세스 내에 하나의 스레드만 존재
  • 멀티 스레드 : 한 프로세스 내에 여러 스레드가 존재
    • 유튜브에서 vlog를 보면서, 댓글을 달거나 실시간 채팅을 함께 수행되어야 하는 경우에
    • 각각 다른 스레드가 동시에 수행하게 된다

스레드의 메모리 구성

  • 공유 메모리 : 같은 프로세스의 Code 섹션, Data 섹션, Heap(메모리)은 모든 스레드가 공유함
  • 개별 Stack(스택) : 각 스레드는 자신의 스택을 갖고 있음
CPU 스케줄링 개념을 이해하려면 먼저 멀티태스킹과 멀티프로세싱 개념을 알고 있어야 한다.

프로세싱 발전 과정 - 멀티태스킹

초창기 컴퓨터는 단일 프로세스 시스템이었다.
한번에 하나의 프로그램만 실행할 수 있었으며, 다른 프로그램을 실행하려면 현재 작업이 끝날 때까지 기다려야했다.

이 문제를 해결하기 위해 나온 개념이 멀티프로그래밍이다.
여러 프로그램을 메모리에 올려놓고, 하나의 CPU가 번갈아 가며 프로그램을 실행시키는 방식이다.
예를 들어, 프로세스1이 I/O(입출력)작업을 수행하는 동안 CPU는 놀지 않고 프로세스2를 실행한다.
그러나 하나의 프로세스가 CPU를 오래 점유하면, 다른 프로세스는 그만큼 더 오래 기다려야 했다.

이 문제를 보완한 것이 멀티태스킹(Multi Tasking) 이다.
우리가 유튜브로 음악을 들으며 인터넷 검색을 할 수 있는 것처럼
각각의 작업을 아주 짧은 시간 단위로 번갈아 처리하여 응답 시간을 최소화한다.

CPU가 한 프로세스의 상태를 저장하고 다른 프로세스의 상태를 불러와 교체하는 과정을 Context Switching이라 한다.

🧐 Context Switching이란?
CPU 코어에서 실행 중이던 프로세스/스레드가 다른 프로세스/스레드로 교체되는 것

  • Process(프로세스)가 Thread(스레드)보다 Context Switching 비용이 많이 든다.
    • 그 이유는 Thread(스레드)는 Stack(스택)영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 Context Switching이 발생했을 때 Stack 영역만 변경하면 되기 때문이다.

🧐 그럼 왜 Context Switching이 필요할까?

  • 여러 프로세스와 스레드들이 공정하게 CPU 시간을 나눠 갖기 위해
    • 하나의 작업이 너무 오랫동안 CPU를 독점하지 않도록 해준다
  • 높은 우선순위의 작업은 빠르게 처리될 수 있도록 하기 위해

CPU가 작업을 전환할 때 현재 작업의 상태를 저장하고 다음 작업의 상태를 복원하는 과정은 일정 시간이 소요되며 CPU 자원을 소모하게 된다. Context Switching이 빈번하게 발생하면 CPU가 실제 작업을 처리하는 시간보다 스위칭에 소요되는 시간이 많아질 수 있다.


멀티태스킹 기술 덕분에 하나의 컴퓨터 시스템이 동시에 여러 작업을 처리할 수 있게 되었고,
이때 어떤 프로그램이 언제, 얼마 동안 CPU를 사용할지는 운영체제가 결정하게 되는데,
이 과정을 스케줄링(Scheduling) 이라고 한다.

단순히 시간을 나누는 것이 아니라, CPU 자원을 최대한 효율적으로 활용하기 위해
다양한 최적화 기법을 적용해 스케줄링이 이루어진다.

멀티프로세싱 (Multi Processing)

위에서 설명한 멀티태스킹은 하나의 CPU가 여러 작업을 번갈아 수행하는 방식이었다.
그런데 최근 컴퓨터나 노트북은 CPU 코어의 수가 많아지면서, 물리적으로 여러 개의 작업을 동시에 수행할 수 있게 되었다.
이를 멀티프로세싱이라 한다.

따라서 멀티프로세싱 시스템은 하나의 CPU 코어만을 사용하는 시스템 보다 동시에 더 많은 작업을 효율적으로 처리할 수 있다.

멀티태스킹 vs 멀티프로세싱

멀티태스킹은 사람 혼자서 여러 작업을 빠르게 처리하는 것이라면
멀티프로세싱은 사람 여러명이 각각의 작업을 처리하는 것이다.

멀티태스킹

  • 단일 CPU에서 여러 개의 작업을 동시에 처리하는 것
  • 하나의 CPU가 여러 작업들을 번갈아가며 처리하므로, 여러 개의 작업이 동시에 수행되는 것처럼 보이게 함

멀티프로세싱

  • 여러 CPU 코어가 동시에 작업을 처리하는 것
  • 단일 CPU 코어만을 사용하는 것보다 동시에 더 많은 작업 처리 가능함
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