[운영체제] 프로세스와 쓰레드

프로세스와 스레드에 대해 알아보겠습니다. 간단히 정리하고 제가 공부한 것을 바탕으로 제 스스로 문제를 내서 답변을 달아보았는데 추가적인 내용이 있으니 도움되셨으면 좋겠습니다. 

프로세스

OS로부터 자원을 할당받는 작업의 단위. 즉, 컴퓨터에서 실행중인 프로그램을 의미(실행된 프로그램) 하나 이상의 스레드를 포함합니다. 구체적으로 살펴보면 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역 변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함합니다. 또한 프로세스는 프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함합니다.

스레드

프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위.

기본적으로 하나의 프로세스가 생성되면 한개의 스레드가 생성되는데 이를 메인 스레드라고 합니다. 스레드를 추가로 생성되지 않는 한 모든 프로그램은 메인 스레드에서 실행됩니다. 추가로 생성되면 이를 멀티 스레드라 부릅니다. 조금 깊게 살펴보면 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 그리고 스택으로 구성됩니다. 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유합니다. 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 하며 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있습니다.

정리하면 프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위이며 스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위입니다.

이 정리를 조금 풀어서 설명해보겠습니다.

프로세스는 실행될  때 운영체제로부터 프로세서, 주소 공간, 메로리 등 자원을 할당받습니다. 스레드란 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행됩니다. 프로세스와 스레드에 대한 질문은 OS가 자원을 어떤 단위로 할당하고, 프로세스와 스레드는 이 자원을 어떻게 사용하는지 알고있느냐? 이 질문과 같습니다.

프로세스와 스레드의 차이점에 대한 질문의 요지를 곰곰히 생각해보면 다음과 같은 개념과 이해가 있는지에 대해 물은 것 입니다.

즉, 프로세스와 스레드의 차이점에 대한 질문의 요지를 파악해보자면 다음과 같은 개념에 대해 알고 있는지 물어보기 위한 것입니다.

1. 프로세스와 스레드의 차이를 알고 있나요? 어떤 차이점이 있을까요?

2. 운영체제와 어떤 밀접한 관계를 가지고 있고 운영체제가 할당한 자원을 어떻게 사용되는지에 대해서도     알고 있나요?

3. 멀티프로세스와 멀티스레드에 대해 알고 있나요?

4. 위 질문에 이어서 멀티스레드 환경에서 프로그래밍한 경험은 있나요?

5. 그에 대한 장 단점은 자세히 알고 있나요?

6. 멀티스레드 환경에서 동기화 문제를 경험했봤나요? 했다면 어떻게 해결했나요?

7. 프로세스와 쓰레드의 차이점에 대해 설명해주세요.

이 질문 하나로 위 질문들과 같이 다양한 질문이 연이어 나올 수 있기 때문에 프로세스와 쓰레드의 차이점에 대한 질문은 아주 기본적 이지만 핵심적이며 단골 질문입니다.

아래에는 질문과 답변입니다.

1. 프로세스와 쓰레드의 차이점

답변

 메모리 사용에 대한 차이가 존재

프로세스는 독립적으로 실행되며 각각 별개의 메모리를 차지하여 자원을 할당 받았다. 하지만 스레드는 프로세스 내의 자원을 공유해서 사용한다. 즉 스레드는 heap, data, code영역을 공유하고 별도의 stack만을 가지고 있다. 문맥교환시 stack영역만 교환하면 되므로 프로세스 문맥교환보다 빠르다.

2. 멀티 프로세스를 사용하지 않고 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠가면서 사용하는 이유

답변

 OS가 시스템 자원을 효율적으로 관리하기 위해 스레드를 사용하는 것. 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 효율적으로 관리할 수 있습니다. 또한, 프로세스 간의 통신보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 부담이 줄어들게 되므로 스레드로 나눠가면서 사용합니다. 즉, 스레드는 프로세스 내에서 각각의 스택 공간을 제외한 나머지 공간과 자원을 공유합니다. 때문에 프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우 메모리 공간은 물론 자원 소모도 줄어들게 됩니다. 

3. 스레드의 장점과 단점을 설명

답변

장점 : 시스템의 자원소모가 줄어든다. 프로그램 응답 시간이 단축된다. 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 통신 방법이 훨씬 간단하다. 하지만 스레드는 통신시 전역 변수를 이용하는데 전역 변수를 여러 스레드가 함께 사용하면 충돌이 발생할 수 있기 때문에 충돌 문제가 발생하지 않도록 동기화 문제를 해결해야 한다.

단점 : 디버깅이 어려움. 단일 프로세서 시스템에서는 효과를 기대하기 어려움.

4. 스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

답변

 스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

5. 멀티 스레드와 멀티 프로세스를 비교하여 설명하시오

답변

 멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 안고 있다. 반면 멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재한다. 이 두 가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.