Process_Thread.md

프로세스와 스레드

프로세스
스레드

프로세스 (Process)

프로그램 : 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태
프로세스 : 메모리 상에서 실행중인 프로그램의 인스턴스(객체), 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위

프로그램 -> 프로세스 -> 스레드

먼저 프로세스와 스레드에 설명하기 전에 프로그램에 대해 먼저 알아야 합니다.
쉽게 말해 프로그램은 어떤 작업을 실행할 수 있는 파일이자 그냥 코드 덩어리입니다.

프로그램이 실행하게 되면, 해당 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 이 상태를 동적인 상태라고 합니다.
이 상태의 프로그램을 프로세스라고 합니다.

요약 : 프로그램(코드 덩어리 파일) -> (실행) -> 프로세스

이 내용을 쉽게 그림으로 표현하면 다음과 같습니다.

• 운영체제로부터 할당 받는 시스템 자원의 예

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

• 특징

- 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역 (Code, Data, Stack, Heap의 구조)를 할당받습니다.
- 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있습니다.
- 각 프로세스는 별도의 주소 공간에 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근 불가합니다.
- 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스간의 통신(IPC, inter-process Communication)을 사용해야 합니다.
    - Ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용

스레드 (Thread)

스레드 : 프로세스 안에서 실행되는 흐름 단위, 프로세스의 특정한 수행 경로

프로세스 -> 스레드

과거에는 프로그램 실행에서부터 종료까지 프로세스 하나만 사용하여 진행했었습니다. 하지만 시간이 흐르면서 프로그램이 복잡해지면서 프로세스 하나만을 사용하여 프로그램을 실행하기 벅차게 되었습니다.

이 상황을 해결하기 위해 "프로세스를 여러개 만들면 되지 않을까"라는 생각을 했었지만, 운영체제는 안전성을 위해 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보만 접근할 수 있도록 제약을 두었기에 불가능 했습니다.

그렇게 프로세스와 다른 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이 개념이 스레드입니다.

• 특징

- 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유합니다.
- 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행됩니다.
- 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유합니다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없습니다.
- 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있습니다.
- 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있습니다.

멀티 프로세스와 멀티 스레드

멀티 프로세스

하나의 프로그램을 여러개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 병렬적으로 작업을 수행하는 것

장점

• 안전성 (메모리 침범 문제를 OS 차원에서 해결)

단점

• 각각 독립된 메모리 영역을 가지고 있어, 작업량이 많을 수록 오버헤드 발생
• Context Switching으로 인한 성능 저하

Context Switching

프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정

즉, 동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순번의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스 상태를 복구하는 과정을 말합니다.

-> 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받아 사용되므로, 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 문제가 존재합니다.

멀티 스레드

하나의 응용 프로그램에서 여러 스레드를 구성해 각 스레드가 하나의 작업을 처리하는 것

스레드들이 공유 메모리를 통해 다수의 작업을 동시에 처리하도록 해줍니다.

장점

• 독립적인 프로세스에 비해 공유 메모리만큼의 시간, 자원 손실이 감소
• 전역 변수와 정적 변수에 대한 자료 공유 가능

단점

• 안전성 문제
• 하나의 스레드가 데이터 공간을 무너드리면, 모든 스레드가 작동 불능 상태에 빠집니다.(공유 메모리를 갖기 때문)

-> 멀티 스레드의 안전성에 대한 단점은 Critical Section 기법을 통해 대비합니다.

하나의 스레드가 공유 데이터 값을 변경하는 시점에 다른 스레드가 그 값을 읽으려할 때 발생하는 문제를 해결하기 위한 동기화 과정

상호 배제, 진행, 한정된 대기를 충족해야합니다.

Reference

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