프로세스(Process)와 스레드(Thread)::운영체제

1. 프로세스(Process)

 

 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램을 의미합니다.

 

 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스로 독립적인 개체입니다.

 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위입니다.

 

할당받는 시스템 자원

 

1) CPU 시간

2) 운영되기 위해 필요한 주소 공간

3) Code, Data, Stack, Heap 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역

 

특징

 

 - 각각 독립된 메모리 영역을 할당받습니다.

 - 기본적으로 프로세스 당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있습니다.

 - 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며 한 프로세스는 다른 프로세스의 메모리 영역(변수, 자료구조 등)에 접근할 수 없습니다.

 - 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간 통신(IPC, Inter-Process Communication : 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법)을 사용해야 합니다.

 

 

2. 스레드(Thread)

 

 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위를 의미합니다.

 

 프로세스의 특정한 수행 경로입니다.

 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위입니다.

 

특징

 

 - 각각 Stack만 할당받고, Code, Data, Heap 영역은 공유합니다.

 - 프로세스 내의 주소 공간이나 자원(Heap)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하며 실행됩니다.

 - 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하려면 다른 이웃 스레드(Sibling Thread)도 그 변경 결과를 확인할 수 있습니다.

 

 

3. 자바 스레드(Java Thread)

 

 운영체제의 역할을 JVM(Java Virtual Machine)이 대신합니다.

 

 자바에는 프로세스가 존재하지 않고, 스레드만 존재하기 때문에 JVM에 의해 스케줄링되는 실행 단위 코드 블록입니다.

 자바에서 스레드 스케줄링은 전적으로 JVM에 의해 이루어집니다.

 

1) 스레드 수

2) 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치

3) 각 스레드의 상태

4) 각 스레드의 우선순위

 

 즉, 개발자가 자바 스레드로 동작하는 스레드 코드를 작성하면 스레드 코드가 생명을 가지고 실행하도록 JVM에 요청합니다.

 

 

4. 멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

 

 멀티 프로세스보다 멀티 스레드를 사용하는 것이 보다 효율적입니다.

 여러 프로그램이 동작하는 것(멀티 프로세스)보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업(멀티 스레드)을 해결하는 것이 효율적이라고 생각하면 쉽습니다.

 

자원의 효율성 증대

 

 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성해 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있습니다.

 

멀티 프로세스 : 프로세스 간의 Context Switching이 빈번히 이뤄지게 되고, 이는 단순히 CPU 레지스터 교체뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화되기 때문에 오버헤드가 커집니다.

 

멀티 스레드 : 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고받는 것이 간단해지고, 시스템 자원 소모가 줄어들게 됩니다.

 

처리 비용 감소 및 응답 시간 단축

 

 프로세스 간 통신(IPC)보다 스레드 간 통신의 비용이 적고, 작업을 할 때 통신의 부담이 줄어듭니다.

 

 

5. Context Switching

 

 멀티 프로세스 환경에서 CPU가 하나의 프로세스를 실행하고 있는 상태에서 인터럽트 요청에 의해 다음 우선순위의 프로세스가 실행되어야 할 때 기존의 프로세스의 상태 또는 레지스터 값(Context)을 PCB(Process Control Block)에 저장하고, 다음 프로세스를 수행하도록 새로운 프로세스로 교체하는 작업을 말합니다.

 

 

6. PCB : Process Control Block(프로세스 제어 블록)

 

 운영체제가 프로세스를 제어하기 위해 프로세스의 상태 정보를 저장하는 구조체입니다.

 

 프로세스 생성 시 주기억장치에 유지되며 프로세스 상태 관리와 Context Switching을 위해 필요합니다.

 

 

PCB 구조

정보	설명
포인터	부모 프로세스에 대한 포인터, 자식 프로세스에 대한 포인터, 프로세스가 위치한 메모리 주소에 대한 포인터, 할당된 자원에 대한 포인터 등
프로세스 식별자(PID)	프로세스의 고유 번호 지정
프로세스 상태	생성(Create), 준비(Ready), 실행(Running), 대기(Waiting), 완료(Terminated)
프로그램 카운터(PC)	프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
레지스터	누산기, 인덱스 레지스터, 범용 레지스터, 조건 코드 등에 관한 정보  인터럽트가 발생하고 종료될 때 원상복귀할 수 있도록 레지스터를 저장
CPU 스케줄링 정보	우선순위, 최종 실행시간, CPU 점유시간 등
메모리 관리 정보	프로세스의 주소 공간 등
프로세스 계정 정보	페이지 테이블, 스케줄링 큐 포인터, 소유자, 부모 등
입출력 상태 정보	프로세스에 할당된 입출력장치 목록, 열린 파일 목록 등