프로세스 & 스레드
CS에서 프로세스와 스레드의 차이점은 기술 인터뷰에서 자주 등장하는 주제이다.
서로 관련되고 유사하므로 차이점을 아는 것이 매우 중요!
프로그램 (Program)
특정 작업을 위한 명령문의 집합으로, 정적인 파일로 기기 내 저장되어있지만 메모리에 올라가 있지 않은 실행 가능한 파일이다.
프로세스(Process)
프로세스는 메모리에 올라와 실행 중인 프로그램 인스턴스*이다. 프로그램의 실행 단위라고 할 수 있다.
프로그램이 실행되면 메모리에 올라가고, 운영체제로부터 시스템 자원(CPU 시간, 주소 공간, Code, Data, Stack, Heap 의 구조로 되어있는 독립된 메모리 영역)을 할당 받는다.
*인스턴스는 개별 요소를 의미한다.
프로세스의 특징
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프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code , Data, Stack, Heap 의 구조)을 할당받는다.
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프로세스당 최소 1개의 스레드를 가지고 있다.
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프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 바로 접근할 수 없다.
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프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면, 프로세스 간의 통신 (IPC, Inter-Process Communication)을 사용해야 한다.
*프로세스 간의 통신(IPC, Inter-Process Communication)은 프로세스를 사이에 서로 데이터를 주고받는 행위 또는 그에 대한 방법이나 경로를 뜻한다. 파일 , 신호 , 소켓, 메시지큐 등
스레드 (Thread)
컴퓨터 분야에서 실행되는 스레드는 일반적으로 운영체제의 일부인 스케줄러에 의해 독립적으로 관리될 수 있는 프로그래밍 된 명령어의 가장 작은 시퀀스다. (위키)
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스레드는 어떠한 프로그램, 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이다.
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일반적으로 하나의 프로그램은 하나 이상의 프로세스를 가지고 있고, 하나의 프로세스는 반드시 하나 이상의 스레드를 갖는다.
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즉, 프로세스를 생성하면 기본적으로 하나의 (메인)스레드가 생성되는 셈이다.
스레드의 특징
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스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack 만 따로 할당받고, Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
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모든 스레드는 논리적으로 프로세스에 포함되며, 개별적으로 존재할 수 없다.
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스레드는 동일한 주소 공간을 공유하므로, 서로 직접 통신할 수 있다.
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한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.
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프로세스에 비해 생성과 종료 등이 빠르고 가볍다.
멀티 프로세스 (Multi-Process)
멀티 프로세싱 은 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
장점
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여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면, 그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않는다.
단점
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Context Switching에서의 오버헤드 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당 받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching이 발생하면 캐시에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐시 정보를 불러와야 한다.
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프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 떄문에, 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의 변수를 공유할 수 없어 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)를 사용해야 한다.
멀티 스레드 (Multi-Thread)
멀티 스레딩 은 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고, 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
윈도우, 리눅스 등 많은 OS들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만, 멀티 스레딩을 기본으로 하고 있다. 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.
일반적으로 멀티 스레드를 사용하는 이유는 사용자와 상호작용하는 애플리케이션에서 단일 스레드로 네트워크 또는 데이터베이스와 같은 긴 작업(Long-running task)을 수행하는 경우, 해당 작업을 처리하는 동안 사용자와 상호작용이 불능인 상태가 될 수 있기 떄문이다.
장점
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프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있고, 시스템 처리량이 증가한다.
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스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에, 스레드 간의 통신의 비용이 적고, Context Switching이 빠르다.
단점
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주의 깊은 설계가 필요하며 디버깅이 까다롭다.
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단일 프로세스 시스템의 경우, 효과를 기대하기 어렵다.
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다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다.
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멀티 스레드의 경우, 자원 공유의 문제가 발생한다 (동기화 문제)
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하나의 스레드에 문제가 발생하면, 전체 프로세스가 영향을 받는다.
멀티 프로세스오 멀티 스레드 비교 정리
멀티 스레드는 멀티 프로세스에 비해 상당한 이점을 가지며 많이 사용된다. 멀티 프로세스와 비교한 멀티 스레드의 장점과 유의점 을 다시 정리하면
1.
자원의 효율성 증대
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멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
2.
처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
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프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로, 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다.
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스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리한다.
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그래서 프로세스보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
3.
멀티 스레드의 안정성 문제
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단, 프로세스는 독립적인 자원을 할당 받으므로, 프로세스간의 동기화가 필요하지 않지만, 스레드는 자원을 공유하므로 동기화와 충돌 발생에 유의해야한다.