[시스템 프로그래밍] 프로세스와 쓰레드, 멀티 프로세싱, 멀티 쓰레딩

 

 

 

 

 

🧐 프로세스

우선 프로세스에 대해 알아보기 전에, 프로세스와 같이 알아두어야 할 용어가 있습니다.

바로 프로그램과 Task입니다.

 

 

 

 

 

📕 프로그램

일반적으로 하드 디스크에 저장되어 있는 실행코드를 뜻하는데, 예를 들어 카카오톡, 워드, 한글 등이 각각 하나의 프로그램입니다.

 

카카오톡을 예시로 계속 설명하자면, 카카오톡을 컴퓨터에 설치하기만 해서는 사용할 수 없습니다.

 

카카오톡 프로그램을 실행하여야 사용할 수 있는데, 실행하는 경우 카카오톡 프로그램에 대한 인스턴스가 생성됩니다.

 

이것이 바로 프로세스입니다.

프로세스는 OS가 만들어 주는 실행 프로그램의 인스턴스입니다.

 

 

 

컴퓨터는 User, Kernel, HW 영역으로 나뉘어집니다.

 

카카오톡, 워드 등의 프로그램은 User 영역에서 실행되며, Kernel 영역에서는 이러한 프로세스들을 관리하는 역할을 수행합니다.

 

Kernel 영역에서는 대표적으로 CPU와 메모리(RAM) 자원을 관리합니다. (어떤 코어를 써라, 어떤 메모리 부분을 써라 등등..)

프로세스는 OS로부터 시스템 자원을 할당받은 작업의 단위입니다.

 

 

 

 

 

📙 Task

Task는 실행 단위 또는 작업의 단위로써, 프로세스를 지칭합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 멀티 프로세싱, 멀티 태스킹

하나의 컴퓨터에서는 여러 프로그램을 실행할 수 있는데, 이 경우 여러 프로세스가 동시에 실행됩니다.

 

이를 멀티 프로세싱 혹은 멀티 태스킹이라 부릅니다.

 

여러 프로세스가 동시에 실행되는 경우, CPU와 메모리(RAM)은 한정적이기 때문에 이들을 공유하여 사용하게 됩니다.

 

OS에서는 CPU, 메모리 등과 같은 자원을 여러 프로세스 사이에서 안전하게 사용할 수 있도록 관리해줍니다.

 

스케줄링 알고리즘에 따라 프로세스에게 CPU를 할당하여 이를 실행시키고, 가상 메모리 기술을 통해 여러 프로세스 간 메모리 자원을 공유할 수 있게 해줍니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 문맥 전환

멀티 프로세싱 환경에서, CPU는 한정되어 있으므로 여러 프로세스가 번갈아 가며 CPU를 사용해야 합니다.

 

문맥 전환이란 하나의 프로세스가 CPU를 사용하다가 다른 프로세스가 CPU를 사용할 수 있도록 현재 진행중인 프로세스의 상태를 PCB(Process Control Block)에 저장하고, 새로운 프로세스의 상태를 CPU에 적재하는 것을 의미합니다.

 

pcb 구조 - https://www.scaler.com/topics/operating-system/process-control-block-in-os/

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 쓰레드

프로세스가 할당받은 자원을 이용해서, 실제로 작업을 수행하는 주체를 의미합니다.

하나의 프로세스에는 최소한 하나의 쓰레드가 반드시 존재하며, 쓰레드는 자신이 수행하는 프로세스 내의 자원들만을 사용합니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 멀티쓰레드

하나의 프로세스 내에서 여러 쓰레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 의미합니다.

하나의 프로세스 내의 여러 쓰레드들은 code, data, files, heap을 공유하여 사용하며, 단지 register와 PC, stack만을 독단적으로 사용합니다.

 

 

쓰레드는 자신의 프로세스의 메모리 자원을 사용하기 때문에, 쓰레드 생성 시 새로운 자원을 필요로 하지 않습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 Thread 개수와 성능

CPU의 코어는 한 번에 하나의 작업만 수행할 수 있습니다.

 

즉 실제로 동시에 처리되는 작업의 수는 CPU의 코어의 개수와 일치합니다.

그러나 쓰레드의 수는 코어의 수보다 언제나 많습니다.

 

따라서 CPU의 코어는 아주 짧은 시간 동안 여러 작업을 번갈아가며 수행함으로써 여러개의 작업들이 동시에 수행되는 것 처럼 보이게 합니다.

 

이러한 이유로 프로세스의 성능이 단순히 쓰레드의 개수에 비례하는 것이 아닙니다.

 

하나의 쓰레드를 가진 프로세스보다 두개의 쓰레드를 가진 프로세스의 성능이 오히려 더 낮을 수 있습니다.

(예를 들어 쓰레드 간 문맥 전환이 자주 발생하는 경우)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 쓰레드에서 스택과 PC(프로그램 카운터)를 독립적으로 할당하는 이유

Thread에서 stack과 PC register를 독립적으로 할당하는 것은, 각 thread가 수행하는 작업이 다르기 때문입니다.

Stack은 함수 호출을 위해 필요한 변수들을 저장하는 메모리 공간입니다. 

각 thread는 다른 함수를 호출하고, 다른 변수를 사용하기 때문에 각 thread마다 독립적인 stack을 할당해야 합니다.

PC register는 현재 실행되는 instruction의 주소를 저장하는 레지스터입니다. 각 thread는 다른 instruction을 실행하기 때문에 각 thread마다 독립적인 PC register를 할당해야 합니다.

독립적인 stack과 PC register를 할당함으로써, 각 thread는 자신만의 작업 상태를 유지할 수 있게 되며, thread context switch 과정에서도 작업 상태를 올바르게 복원할 수 있게 됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

🧐 쓰레드간의 문맥전환

문맥전환은 프로세스 사이에서도 발생하지만, 쓰레드 사이에서도 발생할 수 있습니다.

 

Thread 사이에서 문맥 전환이 발생하는 경우, TCB(Thread Control Block)의 정보를 저장합니다.

 

TCB는 Thread별로 존재하며, PC와 Register Set(CPU 정보), 그리고 PCB를 가리키는 포인터를 가집니다.

 

같은 프로세스에서의 쓰레드 간 문맥 전환 시에는 TCB 정보만 저장하면 됩나다.

하지만 다른 프로세스 간의 문맥 전환 시에는 PCB / TCB 정보를 모두 저장해야 합니다.

 

쓰레드 사이에서 문맥 전환이 발생하는 경우, 쓰레드들은 같은 프로세스의 메모리 자원을 공유하기 때문에 메모리 전환이 필요하지 않습니다. 또한 메모리 접근 시 지역성 효율이 높아 캐싱의 효과도 증가합니다.

 

즉 문맥 전환 시 메모리의 전환도 함께 발생하는 프로세스 간 문맥 전환에 비하여, 가상 메모리를 공유하기 때문에 문맥 전환 시 메모리의 전환이 발생하지 않는 쓰레드 사이의 문맥 전환은 훨씬 빠르게 이루어집니다.