프로세스와 스레드

프로세스와 스레드

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

멀티코어를 가진 CPU가 보편적이기 때문에 멀티 코어를 활용할 수 있어야한다.

프로세스(Process)

• 프로세스는 사용 중인 파일, 데이터, 프로세서의 상태, 메모리 영역 주소공간, 스레드 정보, 전역 데이터가 저장된 메모리 부분 등 수 많은 자원을 포함하는 개념. 종종 스케쥴링의 대상이 되는 작업이라고 불리기도 한다.
• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역( Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당 받는다.
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
• 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료 구조에 접근할 수 없다.
• 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 가지고 있어야한다.
  • EX) 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법

프로세스 스케쥴링

• 프로세스가 생성되어 실행될 때 필요한 시스템의 여러 자원을 해당 프로세스에게 할당하는 작업을 뜻하며, 대기 시간은 최소화하고 최대한 공평하게 처리하는 것을 목적으로 한다.

스레드(Thread)

• 스레드는 프로세서 내에서 각각 Stack만 따로 할당 받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세서 내에 스레드 끼리 공유하면서 실행된다.
• 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
• 각 각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.
  • 레지스터 : 메모리로 연산의 결과를 보내고 영구적으로 저장할 데이터를 하드디스크에 저장해야하는 등의 명령을 처리하기 위해서 주소와 명령을 저장할 수 있는 기억 공간이 레지스터이다. 연산 속도가 메모리보다 수십 수백 배 빠르다.

쓰레드와 프로세스의 차이점

• 프로세스는 완벽히 독립적이기 때문에 메모리 영역(Code, Data, Heap, Stack)을 다른 프로세스와 공유하지 않지만, 쓰레드는 해당 쓰레드를 위한 스택을 생성할 뿐 그 이외 Code, Data, Heap 영역을 공유한다.

메모리맵

• 정적 할당 영역Data 영역 : 전역 변수, static 변수, 배열, 구조체 등이 저장되며 초기화된 데이터는 data에 저장, 초기화되지 않은 데이터는 bss에 저장된다.
• text(Code) 영역 : 작성한 코드가 들어가며 상수, 컴파일된 기계어가 들어간다. 프로그램이 끝날 때까지 메모리에 계속 적재되어있는다.
• 동적 할당 영역
  • 런타임 시 크기가 결정된다.
  Stack 영역 : 지역변수, 매개변수, 리턴 값 등이 저장되어 있고 함수 호출 시 생성되고, 함수가 종료되면 시스템에 반환된다. 프로그램이 자동을 사용하는 임시 메모리 영역이다.
  • 컴파일 시 크기가 결정된다.
• Heap 영역 : 프로그래머가 동적으로 사용하는 영역으로 malloc, free, new, delete 에 의해 할당되고 반환된다.

멀티 프로세스

• 하나의 응용 프로그램을 여러개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것

멀티 프로세스의 문제점

• 두 개의 프로세스는 완전히 독립된 두 개의 프로그램 실행을 위해 사용되기 때문에 컨텍스트 스위칭(프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정)으로 인한 성능 저하가 발생
  • Context Switching : CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 과정. 구체적으로는 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 프로세스의 상태(Context)를 보관하고 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업
• Context Switching 과정에서의 오버헤드 : Context Switching 과정에서 캐쉬 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 시간이 소모되는 등의 오버헤드가 발생
• 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어, Context Switching가 발생하면 캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.

멀티 쓰레딩

• 하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것
• 시스템 자원 소모 감소: 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
• 시스템 처리량 증가: 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다. 스레드 사이의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다.
• 간단한 통신 방법으로 인한 프로그램 응답 시간 단축 : 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.
• 여러개의 스레드들이 하나의 메모리를 공유한다.
  • Code 영역을 공유하기 때문에 두 개 이상의 쓰레드가 자신이 포함된 프로세스의 Code 영역에 있는 함수를 호출할 수 있다.
  • Data영역과 Heap 영역을 공유하기 때문에 전역 변수와 동적 할당된 메모리 공간을 공유할 수 있고, 이를 통해 쓰레드 간 통신을 할 수 있지만 동시에 메모리에 접근하기 때문에 주의해야한다.
• 쓰레드는 하나의 프로그램 내에서 여러 개의 실행 흐름을 두기 위한 모델이다.
• 쓰레드는 메모리를 공유하기 때문에 컨텍스트 스위칭에 걸리는 시간이 프로세스보다 짧다
  • 쓰레드에는 실제로 공유되는 데이터가 있고 아닌 데이터가 있다.
    • Program Counter : 쓰레드 별로 main 함수를 독립적으로 가지고 있고, 함수 호출도 독립적으로 진행되기 때문에 쓰레드별로 Program Counter 값은 달라야한다. (Program Counter는 실행해야 할 명령어의 위치를 가리키는 레지스터)
    • Stack Pointer와 Frame Pointer : 쓰레드는 독립적인 스택을 가지기 때문에 스택 정보를 가지고 있는 Stack Pointer와 Frame Pointer는 공유되지 않는다.
    • 범용적으로 사용가능한 레지스터 : 시스템을 어떻게 디자인 하느냐에 따라 달라지는 것이기 때문에 일반적으로 공유된다고 할 수 없다.
    • Cache 메모리 : 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 하나도 없기 때문에 컨텍스트 스위칭이 발생하면 캐시에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐시 정보를 불러와야한다. 하지만 쓰레드는 캐시 정보를 비울 필요가 없기 때문에 프로세스와 쓰레드의 컨텍스트 스위칭 속도 차이가 발생한다.
      • cache 메모리란? CPU에서 한 번 이상 읽어들인 메인 메모리의 데이터를 저장하고 있다가 CPU가 다시 그 메모리에 저장된 데이터를 요구할 때 메인 메모리를 통하지 않고 바로 값을 전달하는 용도로 사용된다.

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

• 프로그램을 여러개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결한다.
• 자원의 효율성 증대
  1. 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
     • 프로세스 간의 Context Switching시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 대한 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크기 때문
  2. 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.
• 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
  1. 프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신의 부담이 줄어든다.
     • 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문
  2. 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
     • Context Switching시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문