[쓰레드] 프로세스와 쓰레드 차이

결론

프로세스 : 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위

쓰레드 : 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위

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프로세스와 쓰레드 차이

프로세스와 쓰레드를 공부하기 전에

먼저 프로세스와 쓰레드를 이야기하기 전에 프로그램이란 무엇인가에 대해 설명하고자 한다.

프로세스의 이전에 프로그램이 있어야 프로세스가 존재하고 프로세스가 존재해야 쓰레드가 존재한다.

즉, 프로그램 -> 프로세스 -> 쓰레드 순이 된다.

프로그램이란?

파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않는 정적인 상태를 말한다.

• 메모리에 올라가 있지 않은
  • 아직 운영체제가 프로그램에게 독립적인 메모리 공간을 할당해주지 않았다는 뜻이다.
  • 모든 프로그램은 운영체제가 실행되기 위한 메모리 공간을 할당해 줘야 실행될 수 있다.
• 정적인 상태
  • 정적이라는 단어는 그대로, 움직이지 않는 상태라는 뜻이다. 한마디로 아직 실행되지 않고 가만히 있다는 뜻이다.

결론은 프로그램이라는 단어는 아직 실행되지 않는 파일 그 자체를 가리키는 말이다. 윈도우의 .exe 파일이나 MacOs의 *.dmg 파일 등등 사용자가 눌러서 실행하기 전의 파일을 말한다. 쉽게 말해서 *그냥 코드 덩어리**다.

프로세스란?

프로그램을 실행한 것이 프로세스이다.

프로그램을 실행하는 순간 해당 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 이 상태를 동적인 상태라고 하며 이 상태의 프로그램을 프로세스라고 한다.

과거에 프로그램을 실행할 때 실행 시작부터 실행 끝까지 프로세스 하나만을 사용해서 진행했다고 한다. 하지만 시간이 흐를수록 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기는 벅차게 되었다. 실제로 이제는 프로그램 하나가 단순히 한 가지 작업만을 하는 경우는 없다.

그러면 어떻게 해야할까?

쉽게 떠오르는 방법은 "한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 되지 않을까?" 생각이 들지만 이는 불가능한 일이다.

왜냐하면 운영체제는 안정성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문이다.

쓰레드란?

위와 같은 이유로 다른 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이를 쓰레드라고 한다.

쓰레드는 프로세스의 코드에 정의된 절차에 따라 실행되는 특정한 수행 경로이다.

쓰레드는 프로세스와 다르게 쓰레드 간 메모리를 공유하며 작동한다. 쓰레드끼리 프로세스의 자원을 공유하면서 프로세스 실행 흐름의 일부가 되는 것이다.

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더 자세한 설명

프로세스의 세부사항

위에서 프로세스가 메모리에 올라갈 때 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는다고 언급했다. 이 때, 운영체제는 프로세스마다 각각 독립된 메모리 영역을 Code/Data/Stack/Heap 의 형식으로 할당해준다. 각각 독립된 메모리 영역을 할당해주기 때문에 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료에 접근할 수 없다.

(이미지 출처: Heee's Development Blog)

쓰레드의 세부사항

이와 다르게 쓰레드는 메모리를 서로 공유할 수 있다고 언급했다. 프로세스가 할당받은 메모리 영역 내에서 Stack 형식으로 할당된 메모리 영역은 따로 할당받고, 나머지 Code/Data/Heap 형식으로 할당된 메모리 영역을 공유한다. 따라서 각각의 쓰레드는 별도의 스택을 가지고 있지만 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있게 된다.

여기서 프로세스와 쓰레드의 중요한 차이를 하나 더 알 수 있다!!!

만약 한 프로세스를 실행하다가 오류가 발생해서 프로세스가 강제로 종료된다면, 다른 프로세스에게 어떤 영향이 있을까? 공유하고 있는 파일을 손상시키는 경우가 아니라면 아무런 영향을 주지 않는다.

하지만, 쓰레드의 경우는 다르다!!!!

쓰레드는 Code/Data/Heap 메모리 영역의 내용을 공유하기 때문에 어떤 쓰레드 하나에서 오류가 발생한다면 같은 프로세스 내의 다른 쓰레드 모두가 강제 종료된다.

그렇다면 왜 이런 방식으로 메모리를 공유할까?

쓰레드는 위에서 "흐름의 단위"라고 말했는데, 정확히는 CPU 입장에서의 최소 작업 단위가 된다. CPU는 작업을 처리할 때 쓰레드를 최소 단위로 삼고 작업한다.

반면 운영체제는 이렇게 작은 단위 작업을 하지 않기 때문에 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위가 된다.

여기서 중요한 점은 하나의 프로세스는 하나 이상의 쓰레드를 가진다는 점이다. 따라서 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위인데, 이 때문에 같은 프로세스 소속의 쓰레드까지 메모리를 공유하지 않을 수 없다.

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응용

멀티쓰레드란?

쓰레드가 여러개 동작하는 것을 의미한다.

• 멀티쓰레드의 장점
  • Context-Switching 할 때 공유하고 있는 메모리만큼의 메모리 자원을 아낄 수 있다.
  • 쓰레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적어서 응답 시간이 빠르다.
• 멀티쓰레드의 단점
  • 쓰레드 하나가 프로세스 내 자원을 망쳐버린다면 모든 프로세스가 종료될 수 있다.
  • 자원을 공유하기 때문에 필연적으로 동기화 문제가 발생할 수 밖에 없다.

멀티쓰레드를 사용하면 각각의 쓰레드 중 어떤 것이 어떤 순서로 실행될지 그 순서를 알 수 없다. 만약 A 쓰레드가 어떤 자원을 사용하다가 B 쓰레드로 제어권이 넘어간 후 B 쓰레드가 해당 자원을 수정했을 때, 다시 제어권을 받은 A 쓰레드가 해당 자원에 접근하지 못하거나 바뀐 자원에 접근하게 되는 오류가 발생할 수 있다.

이처럼 여러 쓰레드가 함께 전역 변수를 사용할 경우 발생할 수 있는 충돌을 동기화 문제라고 한다. 스케줄링은 운영체제가 자동으로 해주지 않기 때문에 프로그래머가 적절한 기법으로 직접 구현해야하므로 프로그래밍을할 때 멀티쓰레드를 사용하려면 신중해야 한다.

참고 블로그

https://velog.io/@raejoonee/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4