[운영체제] 프로세스와 스레드 그리고 차이

프로그램(program) 이란?

 파일 단위로 저장 장치에 저장되어 있으며, 아직 실행되지 않은 상태의 코드 덩어리를 의미한다.

 

 

프로세스(process) 란?

동적인 개념으로는 '실행 중인 프로그램'이라 한다. 운영체제로부터 메모리 공간을 할당받은 프로그램을 프로세스라고 부른다.

 

• 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.

 

 

프로세스에 할당되는 메모리 영역

• 코드(Code) 영역 : 프로세스가 실행할 코드가 기계어의 형태로 저장되는 공간이다. (컴파일 타임에 결정, Read-Only)
• 데이터(Data) 영역 : 전역변수 즉 static 변수 등이 저장된 공간이다. static변수를 참조한 코드는 컴파일하고 나면 데이터 영역의 주소값을 가르킨다. (컴파일 타임에 결정, Read-Write 실행 도중 변경가능)
• 스택(Stack) 영역 : 함수 안에서 선언된 지역변수, 매개변수, 리턴값 등이 저장된다. 스택의 LIFO 방식에 따라 함수 호출 시 기록하고 종료되면 제거한다. (컴파일 타임에 결정, 정해진 크기가 있으므로 stack overflow 에러 발생 가능)
• 힙(Heap) 영역 : 프로그래머가 관리하는 메모리 영역으로, 힙 영역에 메모리를 할당하는 것을 동적 할당이라고 한다. (런타임에 결정, 스택보다 할당할 수 있는 메모리 공간이 많으나 데이터 읽고 쓰기가 느림) 

 

 

프로세스 제어 블록(Process Control Block) 이란?

프로세스 제어 블록(PCB)은 특정한 프로세스를 관리할필요가 있는 정보를 포함하는 운영 체제 커널의 자료구조이다. 간단히 말하면, 운영체제가 프로세스를 제어하기 위해 프로세스의 상태 정보를 저장해 놓는 구조체이다.

cpu는 동시에 하나의 일을 처리할 수 밖에 없기 때문에 스케줄링이라는 것이 존재한다 스케줄링을 할 때 내가 지금 하고 있는 작업이 어떤 것인지 정보를 갖고 오기 위해서 저장해놓은 것이다.
pcb 정보를 가져오고 오고 하는 작업이 콘텍스트 스위치 입니다. 

 

PCB 에 저장되는 정보는 

• 프로세스 고유번호 (Process ID, PID)
• 프로세스 상태 (Process state) : new, ready, running, waiting, terminated
• 프로그램 카운터 (Program Counter) : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소를 가리킴
• CPU 레지스터 (CPU registers) : Accumulator, Index Register, 범용 레지스터 등
• CPU 스케줄링 정보 (CPU scheduling information) : 프로세스 우선순위, 최종 실행 시각, CPU 점유 시간 등
• 메모리 관리 정보 (Memory-management information) : Page table, Segment table 등
• 계정 정보 (Accounting information) : CPU 사용 시간, 제한 시간, 계정 번호 등
• 입출력 상태 정보 (I/O status information) : 프로세스에 할당된 입출력 장치, 개방된 파일 목록 등

 

 

프로세스 상태

• New : 프로세스가 생성됨
• Running : 프로세스의 Instruction이 실행됨
• Waiting : (I/O 작업 완료나 신호 수신과 같은) 이벤트가 발생하기를 기다림
• Ready : 프로세서에 할당되기를 기다림
• Terminated : 프로세스가 실행을 끝냄

 

 

컨텍스트 스위칭(Context Switching) 이란?

CPU 코어를 다른 프로세스로 전환하기 위해 현재 프로세스의 상태 저장 및 다른 프로세스의 상태 복원을 수행하는 작업을 말한다.

• Context란 프로그램 카운터(PC), CPU 레지스터들의 값, 메모리 관리 상태 등을 포함한 프로세스의 상태를 뜻한다.
• Context Switching은 오버헤드가 존재한다. 이때 오버헤드는 Context Switching에 걸린 시간과 메모리를 뜻한다.

 

 

스레드(Thread) 란?

프로세스의 실행 흐름의 단위이다. 같은 프로세스 내에 있는 스레드끼리는 프로세스의 자원을 공유할 수 있다.

 

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소공간이나 자원들을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 아웃 스레드(slibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

 

 

멀티 프로세스(Multi-Thread)

- 하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스를 동시에 수행하는 것이다. (ex, 크롬 브라우저)

 

• 장점
  • 독립된 구조를 가지고 있기 때문에 안정성이 높다.
  • 하나의 프로세스가 비정상적으로 종료되어도 자식 프로세스 이외의 다른 프로세스는 아무런 영향을 받지 않는다.

 

• 단점
  • 독립된 메모리 영역을 가지고 있기 때문에 Context Switching 을 위한 오버헤드(캐시 초기화 등)가 발생한다.
  • Context Switching이 빈번하게 일어나면 성능 저하를 유발할 수 있다.
  • 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없다. 데이터를 교환하기 위해서는 어렵고 복잡한 IPC(Inter-Process Communication) 통신 기법이 필요하다.

 

 

멀티 스레드(Multi-Process)

- 하나의 프로세스에서 여러 개의 스레드를 동시에 수행하는 것이다.

 

• 장점
  • 응답시간이 단축된다. 단일 스레드를 사용하면 그 작업이 완료될 때까지 응답을 기다려야한다. 멀티 스레드를 사용함으로서 응답성을 향상시킬 수 있다.
  • 자원을 공유할 수 있다. 스레드는 기본적으로 자신이 속한 프로세스의 자원을 공유하기 때문에 동일한 주소 공간 내에서 여러 스레드를 가질 수 있다. 
  • 비용이 적다. 스레드는 자신이 속한 프로세스의 자원을 공유하므로 스레드 생성과 Context-Switching이 빠르다.

 

• 단점
  • 스레드는 프로세스 내 자원을 공유하기 때문에 스레드 하나에서 오류가 발생하면 같은 프로세스 내의 모든 스레드가 종료될 수 있다.
  • 공유 자원에 대한 동기화 문제를 고려해야 한다.

 

 

 

 

 

 

 

* 참고사이트

- https://code-lab1.tistory.com/41

- 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

프로세스와 스레드의 차이

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