[운영체제] 프로세스와 스레드의 차이

프로세스

프로세스는 실행중인 프로그램으로 운영체제로 부터 주소공간, 파일, 메모리등의 자원을 할당받는 개체.

프로그램은 실행파일이 메모리에 로드될 때 프로세스가 됨. 

프로세스는 코드섹션, 데이터 섹션, 스택섹션, 힙섹션, 프로그램 카운터를 포함.

프로세스 제어 블록(PCB)

프로세스마다 하나씩 존재하며 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장. (TCB라고 불리기도 함)

운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스 생성시 고유한 PCB를 함께 생성.

프로세스는 CPU 자원을 할당 받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 필요하면 진행중이던 작업의 진행상황을 PCB에 저장하고 CPU자원을 반환함. 그 후 다시 CPU를 할당받게 되면 PCB에 저장되었던 내용을 불러와 이전의 작업을 이어서 함.

 

PCB에 저장되는 정보

- 프로세스 식별자 (PID) : 프로세스 식별 번호

- 프로세스 state : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태 저장

- 프로그램 카운터 : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소

- CPU 레지스터

- CPU 스케줄링 정보 : 프로세스 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터

- 메모리 관리 정보 : 페잊 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보 포함

- 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록

- 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 계정 번호 등

 

스레드

스레드는 프로세스의 실행 단위 즉 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로, 프로세스 내의 자원을 공유하는 개체.

스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성.

이는 하나의 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드 섹션, 데이터 섹션 등의 운영체제 자원을 공유.

 

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 돌아갈 주소값, 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하는 메모리 공간이다. 따라서 이를 독립적으로 할당한 다는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이며 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것.

따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위해 독립된 스택을 할당하는 것임.

 

PC 레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유

PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지 나타냄. 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점 당하기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하여 어디까지 수행한지 저장해둘 필요가 있다.

따라서 독립적으로 할당하는 것.

 

멀티 프로세스

하나의 컴퓨터에서 여러 CPU를 장착하여 하나 이상의 프로세스들을 동시에 처리 (병렬)

장점

하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않아 정상적으로 수행 가능.

단점

각각 독립된 메모리 영역을 가져 작업량이 많을 수록 많은 오버헤드 발행. context switching으로 인한 성능저하 발생.

 

멀티 스레드

하나의 응용 프로그램에서 여러 스레드를 구성해 각 스레드가 하나의 작업을 처리 

스레드들은 공유 메모리를 통해 다수의 작업을 동시에 처리하도록 해줌.

장점

멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간 차지.

스레드간의 통신에 별도의 자원 없이 데이터 영역이나 힙 영역을 이용해 데이터 주고 받을 수 있어 통신이 간단함.

context switching 과정에서 캐시 메모리를 비울 필요가 없어 빠름.

시스템의 thrughput이 향상되고 자원 소모가 줄음. -> 프로그램 응답 시간 단축

단점

공유 메모리를 사용하기 때문에 오류로 인해 하나의 스레드가 죽으면 전체 스레드가 죽을 수 있음.

서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 한 스레드가 다음 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근해 엉뚱한 값을 읽어오는 등의 동기화 문제를 안고 있음.

이 문제 해결을 위해 작업처리 순서와 공유자원에 대한 접근을 컨트롤하는 작업을 하는데 이 과정에서 과도한 락으로 인해 병목현상이 발생되어 성능이 저하될 수 있음.

 

Context Switching

프로세스의 상태 정보를 저장하고 복원하는 일련의 과정

동작 중이던 프로세스가 대기 하면서 해당 프로세스의 상태를 저장하고, 대기하던 다음 차례의 프로세스가 동작하게 되면서 이전에 저장했던 상태를 복원하는 과정.

프로세스의 경우 각 독립된 메모리 영역을 할당 받아 사용되어 캐시 메모리 초기화 같은 작업으로 인해 오버헤드가 발생할 수 있는 문제를 안고 있음.

 

 

 

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