[프로그래밍] 프로세스와 스레드

프로세스와 스레드

프로세스(process)란 간단히 말해서 '실행 중인 프로그램'이다. 프로그램을 실행하면 OS로부터 실행에 필요한 자원(메모리)를 할당받아 프로세스가 된다.

 

프로그램

 

프로세스

 

프로세스는 프로그램을 수행하는 데 필요한 데이터와 메모리 등의 자원 그리고 스레드로 구성되어 있으며, 프로세스의 자원을 이용해서 실제로 작업을 수행하는 것이 바로 스레드이다.

그래서 모든 프로세스에는 최소한 하나 이상의 스레드가 존재하며, 둘 이상의 스레드를 가진 프로세스를 '멀티스레드 프로세스(multi-threaded process)'라고 한다.

 

하나의 프로세스가 가질 수 있는 스레드의 개수는 제한되어 있지 않으나 스레드가 작업을 수행하는데 개별적인 메모리 공간(호출스택)을 필요로 하기 때문에 프로세스의 메모리 한계에 따라 생성할 수 있는 스레드의 수가 결정된다. 

 

멀티태스킹과 멀티스레딩, 그리고 멀티프로세싱

멀티태스킹 : 여러 개의 프로세스가를 동시에 실행시킬 수 있는 시스템

• 현재 우리가 사용하고 있는 윈도우나 유닉스를 포함한 대부분의 OS는 멀티태스킹(multi-tasking, 다중작업)을 지원하기 때문에 여러 개의 프로세스가 동시에 실행될 수 있다.

멀티스레딩 : 하나의 프로세스 내에서 여러 쓰레드가 동시에 작업을 수행하는 것

• CPU의 코어가 한 번에 단 하나의 작업만 수행할 수 있으므로, 실제로 동시에 처리되는 작업의 개수는 코어의 개수와 일치한다. 그렇지만 처리해야하는 쓰레드의 수는 언제는 코어의 개수보다 훨씬 많기 때문에 각 코어가 아주 짧은 시간 동안 여러 작업을 번갈아 가면 수행함으로써 여러 작업들이 모두 동시에 수행되는 것처럼 보이게 한다.

멀티프로세싱 : 하나의 프로그램을 여러 프로세스가 동시에 작업하도록 구성하는 것

멀티프로세싱의 특징

멀티프로세싱은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향을 주지 않아 안정성이 높다는 장점이 있지만, 많은 메모리공간과 CPU를 차지한다는 단점이 있다.

 

멀티프로세싱의 단점

• 다수의 프로세스를 생성하는 것에 대한 구현이 상당히 어렵다.
• Context switching의 오버헤드가 높다

➔ 멀티스레딩이 나온 이유

멀티프로세싱 대신 멀티스레딩을 사용하는 이유

1. 자원의 효율성 증대

• 멀티프로세스로 실행되는 작업을 멀티스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  • 프로세스 간 context switching 시 단순히 CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라 RAM과 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 댛ㄴ 데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크다.
• 스레드는 프로세스 내의 메모리르 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다.

2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축

• 프로세스 간 통시(IPC)보다 스레드 간 통신의 비용이 적으므로 작업들 간의 통신 부담이 줄어든다.
• 스레드는 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유한다.
• 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
• context switching 시 스레드는 stack 영역만 처리하기 때문이다.

멀티스레딩의 장단점

멀티스레드의 장점 

• CPU의 사용률을 향상시킨다.
• 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있다.
• 사용자에 대한 응답성이 향상된다.
• 작업이 분리되어 코드가 간결해진다.

멀티스레드의 단점

• 여러 스레드가 같은 프로세스 내에서 자원을 공유하면서 작업을 하기 때문에 발생할 수 있는 동기화, 교착상태(deadlock)와 같은 문제들을 고려해서 신중히 프로그래밍해야 한다.

싱글스레드와 멀티스레드의 비교

두 개의 작업을 하나의 스레드(th1)로 처리하는 경우와 두 개의 스레드(th1, th2)로 처리하는 경우를 가정해보자.

 

하나의 스레드 처리하는 경우

• 한 작업을 마친 후에 다른 작업을 시작

두 개의 스레드로 처리하는 경우

• 짧은 시간동안 두 개의 스레드가 번갈아가면서 작업을 수행해서 동시에 두 작업이 처리되는 것과 같이 느끼게 한다.

 

하나의 스레드로 두 개의 작업을 수행하는 경우

 

두 개의 스레드로 두 개의 작업을 수행하는 경우

 

두 개의 스레드로 작업한 시간이 싱글스레드로 작업한 시간보다 조금 더 걸리게 되는데 그 이유는 스레드 간 작업 전환(context switching)에 시간이 걸리기 때문이다. 

작업 전환 (context switching)

컴퓨터에서 동시에 처리할 수 있는 최대 작업 수는 CPU의 코어 수와 같다. 만약 CPU의 코어 수보다 더 많은 스레드가 실행되면, 각 코어가 정해진 시간 동안 여러 작업을 번갈아가며 수행하게 된다.

이 때, 각 스레드가 서로 교체될 때 스레드 간의 작업 전환(또는 문맥 교환)이라는 것이 발생한다. 현재까지의 작업 상태(ex. 다음에 실행해야할 위치)나 다음 작업에 필요한 각종 데이터를 저장하고 읽어오는 작업을 말한다.

이러한 작업 전환에 걸리는 시간이 커지면 커질수록 멀티스레딩의 효율은 저하된다. 그래서 싱글 코어에서 단순히 CPU만을 사용하는 계산작업이라면 오히려 멀티스레드보다 싱글스레드로 프로그래밍하는 것이 더 효율적이다.

스레드 그룹

스레드 그룹은 서로 관련된 스레드를 그룹으로 다루기 위한 것으로, 폴더를 생성해서 관련된 파일들을 함께 넣어서 관리하는 것처럼 스레드 그룹을 생성해서 스레드를 그룹으로 묶어서 관리할 수 있다.

또한, 폴더 안에 폴더를 생성할 수 있듯이 스레드 그룹에 다른 스레드 그룹을 포함시킬 수 있다. 사실 스레드 그룹은 보안상의 이유로 도입된 개념으로, 자신이 속한 스레드 그룹이나 하위 스레드 그룹은 변경할 수 있지만 다른 스레드 그룹의 스레드를 변경할 수는 없다.   

데몬 스레드 (Daemon thread)

데몬 스레드는 다른 일반 스레드(데몬 스레드가 아닌 스레드)의 작업을 돕는 보조적인 역할을 수행하는 스레드이다. 일반 스레드가 모두 종료되면 데몬 스레드는 강제적으로 자동 종료되는데, 그 이유는 데몬 스레드는 일반 스레드의 보조역할을 수행하므로 일반 스레드가 모두 종료되고 나면 데몬 스레드의 존재의 의미가 없기 때문이다.

이 점을 제외하고는 데몬 스레드와 일반 스레드는 다르지 않다. 데몬 스레드의 예로는 가비지 컬렉터, 워드프로세서의 자동저장, 화면자동갱신 등이 있다. 

데몬 스레드는 무한루프와 조건문을 이용해서 실행 후 대기하고 있다가 특정 조건이 만족되면 작업을 수행하고 다시 대기하도록 작성한다. 

 

참고자료

- 『Java의 정석 2』, 남궁성, 도우출판 

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

- https://brunch.co.kr/@kd4/3

- https://tcpschool.com/java/java_thread_multi

- https://velog.io/@chy0428/OS-%EB%A9%80%ED%8B%B0%ED%94%84%EB%A1%9C%EA%B7%B8%EB%9E%98%EB%B0%8D-%EB%A9%80%ED%8B%B0%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8B%B1

- https://blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=rja1104&logNo=220551216367 

- https://wooody92.github.io/os/%EB%A9%80%ED%8B%B0-%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EB%A9%80%ED%8B%B0-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C/