프로세스와 스레드

1. 프로세스(Process)란?

• Process is a program in execution
• 프로세스란 실행중에 있는 프로그램
• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)
• 스케줄링의 대상이 되는 **작업(task)**와 같은 의미로 쓰인다.
• 프로세스 내부에는 최소 하나의 **스레드(thread)**를 가지고 있는데, 실제로는 스레드(thread)단위로 스케줄링을 한다.
• 하드디스크에 있는 프로그램을 실행하면, 실행을 위해서 메모리 할당이 이루어지고, 할당된 메모리 공간으로 바이너리 코드가 올라가게 된다. 이 순간부터 프로세스라 불린다.
• 프로세스의 문맥 (context)
  • CPU 수행 상태를 나타내는 하드웨어 문맥
  • Program Counter
  • 각종 register
  • 프로세스의 메모리 영역
    • Code 영역
      • 실행할 프로그램의 코드나 명령어들이 기계어 형태로 저장된 영역이다. CPU는 코드영역에 저장된 명령어들을 하나씩 처리한다.
    • Data 영역
      • 코드에서 선언한 전역 변수와 정적 변수가 저장되는 영역이다. 프로그램이 실행되면서 할당되고 종료되면서 소멸한다.
    • Stack 영역
      • 함수 안에서 선언된 지역변수, 매개변수, 리터값등이 저장된다. 함수 호출시 기록되고 종료되면 제거된다.
    • Heap 영역
      • 관리가 가능한 데이터 이외의 다른 형태의 데이터를 관리하기 위한 자유공간이다.
  • 프로세스 관련 커널 자료 구조
    • PCB(Process Control Block)
    • Kernel Stack

2. 프로세스의 상태(State)

• • Running
    • CPU를 잡고 instruction을 수행중인 상태
  • Ready
    • CPU를 기다리는 상태
  • Blocked(wating, sleep)
    • CPU를 주어도 당장 instrucion을 수행할 수 없는 상태
    • Process 자신이 요청한 event(예: I/O)가 즉시 만족되지 않아, 이를 기다리는 상태 (ex. 디스크에서 file을 읽어와야 하는 경우)
  • New : 디스크에서 메모리로 프로그램이 올라가 실행준비를 하는 상태
  • Terminated : 수행(execution)이 끝난 상태프로세스는 상태(state)가 변경되며 수행된다.

3. PCB (Process Control Block)

• PCB는 운영체제가 프로세스를 표현한 자료구조이다. 특정 프로세스에 대한 정보를 갖고 있다. 각 프로세스가 생성될 때마다 고유의 PCB가 생성되고, 프로세스가 완료되면 PCB는 제거된다. 프로세스 간 문맥교환이 일어나면서, 프로세스는 진행하던 작업들을 PCB에 저장하고, 이후에 자신의 순서가 왔을 때 이어서 처리한다.
  • OS가 관리상 사용하는 정보
    • Process state, Process ID
    • scheduling information, priority
  • CPU 수행 관련 하드웨어 값
    • Program counter, register
  • 메모리 관련
    • Code, Data, Stack, Heap
  • 파일 관련
    • open file descriptors

4. 문맥교환 (Context Switch)

• 하나의 프로세스가 이미 CPU를 사용중인 상태에서 다른 프로세스가 CPU를 사용하기 위해 이전 프로세스의 상태를 저장하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 것.
  • ex) 카카오톡을 켜놓고 유튜브로 노래를 들으면서 웹서핑을 하는 것은 사용자 입장에서 동시에 일어나는 일처럼 보이지만 실제로는 그렇지 않음.
  • 현재 프로세스 A가 CPU를 사용하고 있는 상황에서 CPU 사용시간이 끝나, 다음 프로세스에게 CPU를 넘겨주어야 한다. 스케줄링 알고리즘에 의해 다음 CPU를 받을 프로세스B가 선택되었고, 타이머 인터럽트가 발생해 CPU 제어권이 운영체제 커널에 넘어가게 된다.
• 이 과정에서 운영체제는 타이머 인터럽트 처리 루틴으로 가서 직전까지 수행중이던 프로세스 A의 문맥을 자신의 PCB에 저장하고, 프로세스B는 예전에 저장했던 자신의 문맥을 PCB로부터 실제 하드웨어로 복원시키는 과정을 거치게 된다.
• CPU가 동시에 여러개의 프로세스를 실행시키는 것처럼 보이지만, 사실은 CPU가 빠르게 여러 프로세스를 번갈아가며 실행하고 관리하고 있는 것이다. 이때 프로세스를 번갈아가면서 처리하는 것을 Context Switching(문맥교환)이라고 한다.
• 오버헤드
  • 여기서 문맥교환에 필요한 시간, 메모리
• 문맥교환이 아닌 경우에는?
  • 프로세스가 실행 상태일 때, 시스템 콜이나 인터럽트가 발생하면 CPU의 제어권이 운영체제에게로 넘어와, 원래 실행중이던 프로세스의 업무를 잠시 멈추고 운영체제의 코드가 실행된다.
  • 이는, 하나의 프로세스가 사용자 모드에서 실행되다가, 커널 모드로 실행 모드만 바뀌는 것일 뿐 CPU를 점유하는 프로세스가 다른 사용자 프로세스로 변경되는 과정이 아니기 때문이다.

문맥교환 X

문맥교환 O

5. 스레드 (Thread)

• 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기에는 메모리의 낭비가 발생한다. 스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간 메모리를 공유하며 작동한다.
• 즉, 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위이다. 스레드는 운영체제의 스케줄러에 의해 독립적으로 관리될 수 있는 프로그래밍된 명령어의 가장 작은 시퀀스이다. 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 갖고 있다.

 

간단 요약 및 추가 정리

💡프로세스와 스레드의 차이점

프로세스 : 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위

스레드 : 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 **실행 흐름의 단위

 

멀티스레드의 장단점이란?

스레드는 프로세스 내에서 Stack 메모리 영역을 제외한 다른 메모리 영역을 같은 프로세스 내 다른 스레드와 공유하기 때문에 메모리 낭비를 줄일 수 있다. 또한, 통신 부담이 적어 응답속도가 빠르다.

다만, 스레드의 스케줄링은 운영체제가 처리하지 못하기 때문에 동기화 문제에 대응할 수 있어야하고, 한개의 스레드에 문제가 발생할 경우 모든 프로세스가 중단될 수 있다는 단점이 있다.