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프로세스와 스레드

프로세스(Process)

프로그램을 메모리 상에서 실행중인 작업 프로세스는 실행중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다. 운영체제로 부터 주소공간, 파일, 메모리 등을 할당 받음

스레드(Thread)

프로세스 안에서 실행되는 여러 흐름의 단위로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성됨 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유

기본적으로 각 프로세스는 최소 1개의 스레드를 소유한다

프로세스는 각각 별도의 주소공간을 할당받는다 (독립적)

• Code : 코드 자체를 구성하는 메모리 영역(프로그램 명령)
• Data : 전역변수, 정적변수, 배열 등
  • 초기화 된 데이터 : data영역에 저장
  • 초기화 되지 않은 데이터 : bss(block started by symbol) 영역에 저장
• Heap : 동적 할당 시 사용(new(), malloc())
• Stack : 지역변수, 매개변수, 리턴 값(임시메모리 영역)

스레드(Thread)마다 스택(stack)을 독립적으로 할당받는 이유

스택은 함수 호출시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간으로 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것. -> 독립적인 실행 흐름이 추가된다(Thread가 하는 일)

프로세스와 스레드의 차이점

프로세스는 자신만의 고유한 공간과 자원을 할당받아 사용하지만, 스레드는 다른 스레드와 공간과 자원을 공유하면서 사용한다

멀티 프로세스

하나의 프로그램을 여러개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 병렬적으로 작업을 수행하는 것 장점 : 안전성(메모리 침범 문제를 OS차원에서 해결) 단점 : 각각 독립된 메모리 영역을 갖고 있어, 작업량이 많을수록 오버헤드가 발생, Context Switching으로 인한 성능저하

📌 Context Switching이란?

• 프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정
• 즉, 동작 중인 프로세스가 대기하면서 해당 프로세스의 상태를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순번의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스 상태를 복구하는 과정을 말한다.
• 프로세스는 각 독립된 메모리 영역을 할당받아 사용되므로, 캐시 메모리 초기화와 같은 무거운 작업이 진행되었을 때 오버헤드가 발생할 문제가 존재

Context Switching 과정

• Task의 대부분 정보는 Register에 저장되고 PCB로 관리된다.
• 현재 실행하고 있는 Task의 PCB 정보를 저장한다.
• 다음 실행할 Task의 PCB 정보를 읽어 Register에 적재하고 CPU가 이전에 진행했던 과정을 연속적으로 수행할 수 있다.

멀티 스레드

하나의 응용프로그램에서 여러 스레드를 구성해 각 스레드가 하나의 작업을 처리하는 것 스레드 들이 공유 메모리를 통해 다수의 작업을 동시에 처리하도록 해준다 장점 : 독립적인 프로세스에 비해 공유 메모리만큼의 시간과 자원 손실이 감소, 전역 변수와 정적 변수에 대한 자료 공유 가능 단점 : 안전성 문제. 하나의 스레드가 데이터 공간을 망가뜨리면 모든 스레드가 작동 불능 상태(공유 메모리를 갖기 때문)

멀티 스레딩의 문제점

서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다.
그래서 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤 하는 것이다.
But, 이로 인한 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다. 따라서 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 한다.

• 멀티스레드의 안전성에 대한 문제점은 Critical Section기법으로 대비 가능

📌 Critical Section

병렬 프로그래밍에서 둘 이상의 스레드가 동시에 접근해서는 안되는 공유 자원을 접근하는 명령문 또는 코드의 일부 영역을 말한다. 병렬 프로그래밍에서 스레드가 공유데이터 값을 변경하는 시점에 다른 스레드가 그 값을 읽으려할 때 발생하는 문제를 해결하기 위해 반드시 동기화 처리(synchronized)를 해줘야한다.
임계구역에서 실행되는 스레드는 lock을 획득한다. 이 lock은 오직 하나의 스레드만 가진다. 조건 3가지

• 상호 배제
• 진행
• 한정된 대기

❓ 예상 질문

• 프로세스와 스레드의 차이점이 대해 설명해주세요.
• 멀티프로세스의 장단점에 대해서 설명해주세요.
• Context Switching에 대해 설명해주세요.
• 멀티스레드의 장단점에 대해 설명해주세요. -> 병목현상을 해결하기 위한 방법이 있을지 생각해보셨나요?

📰 Reference

Context Switching Critical Section