프로그램(Program) 이란

사전적 의미 “어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일” 즉 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태를 말합니다.

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

할당받는 시스템 자원의 예

• CPU 시간
• 운영되기 위해 필요한 주소 공간
• Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

프로세스의 구조

• 하나의 프로세스는 크게 코드영역(code), 데이터 영역(date), 스택 영역(stack), 힙 영역(heap) 4가지로 이루어져 있습니다.

  

  Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)
  Data : 전역 변수, 정적 변수, 배열 등 (초기화된 데이터)
  Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값 (임시 메모리 영역)
  Heap : 동적 할당 시 사용 (new(), mallock() 등)

특징

• 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

• 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.
• 스레드는 메모리를 공유하기 때문에 동기화, 데드락 등의 문제가 발생 할 수 있다.

💡 다른 자원들은 공유하지만 굳이 스택만 분리해서 사용하는 이유는?

  LIFO(Last In First Out) / 후입 선출이라는 스택의 특성과도 연관이 있습니다.
  왜냐하면?  코드와 데이터 힙 영역을 공유하는 것에는 큰 문제가 없지만,
  스택 영역은 스택이 쌓이면 위에서부터 프로세스가 섞인 채로 순서대로 나오게 되므로
  더 복잡해지기 때문에 원활한 실행 흐름을 위해 스택은 따로 독립적으로 존재하게 됩니다. 

멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이

멀티 프로세스

멀티 프로세싱이란

하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(태스크)을 처리하도록 하는 것이다.

• 장점
  • 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽는다 (독립성)
• 단점
  • Context Switching에서의 오버헤드
  • Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생하게 된다.
  • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 * 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
  • 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
  • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다.

  💡 Context Switching란?
  CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 Context Switching라 한다. 구체적으로, 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말한다.

멀티 스레드

멀티 스레딩이란

하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다. 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있다. 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.

• 장점
  • 시스템 자원 소모 감소 (자원의 효율성 증대)
  • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  • 시스템 처리량 증가 (처리 비용 감소)
  • 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
  • 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.
  • 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축
  • 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.
• 단점
  • 주의 깊은 설계가 필요하다.
  • 디버깅이 까다롭다.
  • 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다.
  • 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. (즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.)
  • 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다. (동기화 문제)
  • 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 것의 의미?

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

멀티 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 여러 스레드로 나눠가면서 하는 이유?

• 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 캐쉬 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.
• 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.

https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html https://devuna.tistory.com/21

프로세스와 스레드의 작동 방식에 대한 더 자세한 설명

위에서 프로세스가 메모리에 올라갈 때 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는다고 언급했었다. 이 때 운영체제는 프로세스마다 각각 독립된 메모리 영역을, Code/Data/Stack/Heap의 형식으로 할당해 준다. 각각 독립된 메모리 영역을 할당해 주기 때문에 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료에 접근할 수 없다.

프로세스들이 운영체제로부터 별도의 메모리 영역을 할당받은 모습 (이미지 출처: Heee’s Development Blog) 이와 다르게 스레드는 메모리를 서로 공유할 수 있다고 언급했었다. 이에 대해 더 자세히 설명하자면, 프로세스가 할당받은 메모리 영역 내에서 Stack 형식으로 할당된 메모리 영역은 따로 할당받고, 나머지 Code/Data/Heap 형식으로 할당된 메모리 영역을 공유한다. 따라서 각각의 스레드는 별도의 스택을 가지고 있지만 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있게 된다.

스레드들이 프로세스의 Code/Data/Heap 메모리 영역을 공유하는 모습 (이미지 출처: Heee’s Development Blog) 여기서 프로세스와 스레드의 중요한 차이를 하나 더 알 수 있게 된다. 만약 한 프로세스를 실행하다가 오류가 발생해서 프로세스가 강제로 종료된다면, 다른 프로세스에게 어떤 영향이 있을까? 공유하고 있는 파일을 손상시키는 경우가 아니라면 아무런 영향을 주지 않는다.

그런데 스레드의 경우는 다르다. 스레드는 Code/Data/Heap 메모리 영역의 내용을 공유하기 때문에 어떤 스레드 하나에서 오류가 발생한다면 같은 프로세스 내의 다른 스레드 모두가 강제로 종료된다.

본문에서 언급했듯 스레드를 코드(프로세스) 내에서의 함수(스레드)에 빗대어 표현해보면 이해하기 훨씬 쉬워진다. 코딩을 해 본 경험이 있다면, 코드 내 어떤 함수 하나에서 Segmentation Fault 등의 오류가 발생한 경험이 있을 것이다. 이 오류가 어떤 함수에서 발생했든 간에 해당 코드는 다른 함수 모두에 대한 작업을 중단하고 프로세스 실행을 끝내버린다.

그렇다면 왜 이런 방식으로 메모리를 공유할까?

스레드는 본문 맨 위에서 “흐름의 단위”라고 말했는데, 정확히는 CPU 입장에서의 최소 작업 단위가 된다. CPU는 작업을 처리할 때 스레드를 최소 단위로 삼고 작업을 한다. 반면 운영체제는 이렇게 작은 단위까지 직접 작업하지 않기 때문에 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위가 된다.

여기서 중요한 점은 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가진다는 점이다. 따라서 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위인데, 이 때문에 같은 프로세스 소속의 스레드끼리 메모리를 공유하지 않을 수 없다.

멀티태스킹, 멀티스레드는 무엇일까?

컴퓨터에 대해 공부해본 사람이라면 멀티태스킹이라는 단어를 들어보지 못한 사람은 없을 것이다. 멀티태스킹이란, 하나의 운영체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것을 의미한다. 멀티태스킹은 자칫하면 여러 프로세스가 동시에 실행되는 것처럼 보이지만 자세한 원리를 알아보면 그렇지 않다. 이에 대해서는 다음에 운영체제의 스케줄링 방식에 대해 글을 쓸 때 자세히 설명하도록 하겠다.

멀티태스킹이 하나의 운영 체제 안에서 여러 프로세스가 실행되는 것이라면, 멀티스레드는 하나의 프로세스가 여러 작업을 여러 스레드를 사용하여 동시에 처리하는 것을 의미한다.

위에서 프로세스와 스레드에 대한 개념을 제대로 익혔다면, 멀티스레드의 장단점을 어느 정도 유추해낼 수 있을 것이다.

멀티스레드의 장점

Context-Switching할 때 공유하고 있는 메모리만큼의 메모리 자원을 아낄 수 있다. 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적어서 응답 시간이 빠르다.

멀티스레드의 단점

스레드 하나가 프로세스 내 자원을 망쳐버린다면 모든 프로세스가 종료될 수 있다. 자원을 공유하기 때문에 필연적으로 동기화 문제가 발생할 수밖에 없다. 프로세스 간의 Context-Switching 시에는 아래에서도 언급하겠지만 많은 자원 손실이 발생한다. 그러나 스레드 간의 Context-Switching에서는 메모리를 공유하고 있는 만큼 부담을 덜 수 있다.

멀티스레드의 장단점에서 꼭 짚고 넘어가야 할 점이 바로 동기화 문제다. 주로 Synchronization Issue라고 하는데, 이에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

멀티스레드를 사용하면 각각의 스레드 중 어떤 것이 어떤 순서로 실행될 지 그 순서를 알 수 없다. 만약 A 스레드가 어떤 자원을 사용하다가 B 스레드로 제어권이 넘어간 후 B 스레드가 해당 자원을 수정했을 때, 다시 제어권을 받은 A 스레드가 해당 자원에 접근하지 못하거나 바뀐 자원에 접근하게 되는 오류가 발생할 수 있다.

이처럼 여러 스레드가 함께 전역 변수를 사용할 경우 발생할 수 있는 충돌을 동기화 문제라고 한다. 스케줄링은 운영체제가 자동으로 해주지 않기 때문에 프로그래머가 적절한 기법을 직접 구현해야 하므로 프로그래밍할 때 멀티스레드를 사용하려면 신중해야 한다. 디버깅 과정도 까다로워지기 때문이다.

정말 다른 프로세스의 정보에는 접근할 수 없을까?

지금까지 안 된다고 했지만 사실 프로세스가 다른 프로세스의 정보에 접근하는 것이 가능하다. 사실 지금 우리네가 사용하는 대부분의 컴퓨터 프로그램을 생각해 보면 다른 프로그램에 있는 정보를 가져오는 경우는 심심치 않게 볼 수 있다.

프로세스 간 정보를 공유하는 방법에는 다음과 같은 방법들이 있다. 다만 이 경우에는 단순히 CPU 레지스터 교체뿐만이 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리까지 초기화되기 때문에 앞서 말했듯 자원 부담이 크다.

• IPC(Inter-Process Communication)을 사용한다.
• LPC(Local inter-Process Communication)을 사용한다.
• 별도로 공유 메모리를 만들어서 정보를 주고받도록 설정해주면 된다.

결론

프로세스와 스레드는 개념의 범위부터 다르다. 스레드는 프로세스 안에 포함되어 있기 때문이다.

운영체제가 프로세스에게 Code/Data/Stack/Heap 메모리 영역을 할당해 주고 최소 작업 단위로 삼는 반면, 스레드는 프로세스 내에서 Stack 메모리 영역을 제외한 다른 메모리 영역을 같은 프로세스 내 다른 스레드와 공유한다.

프로세스는 다른 프로세스와 정보를 공유하려면 IPC를 사용하는 등의 번거로운 과정을 거쳐야 하지만, 스레드는 기본 구조 자체가 메모리를 공유하는 구조이기 때문에 다른 스레드와 정보 공유가 쉽다. 때문에 멀티태스킹보다 멀티스레드가 자원을 아낄 수 있게 된다. 다만 스레드의 스케줄링은 운영체제가 처리하지 않기 때문에 프로그래머가 직접 동기화 문제에 대응할 수 있어야 한다.

https://velog.io/@raejoonee/%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://charlezz.medium.com/process%EC%99%80-thread-%EC%9D%B4%EC%95%BC%EA%B8%B0-5b96d0d43e37