운영체제: 프로세스와 쓰레드

프로세스

 이전 글에서도 알 수 있듯이 프로세스는 현재 메모리에 적대되어 실행 중인 프로그램을 말한다. 운영체제에 따라 프로세스를 job, task 등으로 부르기도 한다. 

프로세스 계층 구조

Figure 1. Process Hierarchy

 리눅스는 저장장치로 부터 메모리로 최초 적재 시에는 PID (Process ID : 프로세스를 구분할 수 있는 고유 식별 번호)가 0인 root process가 생성된다. root process는 init process를 생성한다. root process는 최초 생성 후에, 프로세스들을 스케줄링 할 때 swapper의 역활을 한다. init process의 경우 생성된 후, 사용자가 운영체제를 사용할 수 있는 환경을 구성한다.

 예제의 프로세스 계층 구조는 depth가 3이지만 depth 2의 프로세스들도 자식 프로세스를 생성할 수 있다. 같은 부모 프로세스로 부터 생성된 프로세스들을 형제(Sibiling) 프로세스라고 한다. 각 프로세스들은 PPID (Parent Process ID)를 통해 확인할 수 있다.

 

프로세스 생성

 새로운 프로세스는 시스템 콜 중에 fork()를 통해 생성된다. 생성된 프로세스를 실행하기 위해서는 exec()을 생성한다. 하나의 프로세스를 생성하기 위해 생성 - 실행과 같은 동작으로 구분하는 이유는 다음과 같다. 예를 들어 A, B, C라는 프로세스 순으로 생성할 경우 생성, 실행 과정을 분리하지 하지 않으면 모두 한번에 실행해야 되는 상황을 겪게 된다.

 

프로세스 종료

 프로세스 종료는 시스템 콜 중에 exit()를 통해 진행된다. 프로세스가 종료되면 사용하던 메모리와 관련된 정보들은 유지할 필요가 없으므로 할당된 자원들을 반환하는 작업을 진행한다.

 

쓰레드 (Thread)

 사전적 의미는 프로세스 내의 여러 흐름의 단위라고 정의되지만, 프로세스 내에서 작업을 실행할 수 있는 단위라고 이해하면 직관적일 것 같다. 기본적으로 프로세스는 최소 1개의 스레드를 가지고 있으며, 이를 메인 스레드라고 한다.

 

다중 쓰레드 (Multi Thread)

 하나의 프로세스 내에 여러 쓰레드들이 동작하는 것을 다중 쓰레드라고 한다. 쓰레드는 프로세스와 달리 하나의 프로세스 내에서 Code, Data, Heap 영역을 공유하며 쓰레드 내의 Stack만 처리하면 되므로 오버헤드가 적다. 동시에 여러 작업을 실행할 수 있는 장점도 있지만, 데이터 읽기/쓰기와 같은 작업 중 순서 보장이 필요한 상황에서 적절히 사용하지 못하면 데이터 손실을 가져올 수 있어 동기화 과정이 필요하다.

 

 

프로세스 VS 쓰레드

Figure 2. 멀티 프로세스와 멀티 쓰레드

 그림 2와 같이 멀티-프로세스인 상황에서 프로세스 간의 작업 전환이 필요한 경우에는 프로세스와 관련된 정보를 가진 PCB를 저장 후 새로운 프로세의 PCB를 가져오는 Context Switching 과정이 필요하다. 빈번한 Context Switchig은 오버헤드가 되며, 프로세스와 프로세스 간의 작업을 전환하는 것은 프로그램 성능 저하를 가져올 수도 있다.

 이와 달리 멀티-쓰레드인 경우는 프로세스 간의 작업전환인 Context Switching이 불필요하여 병렬적으로 작업을 처리하면서도 쓰레드 간의 데이터 공유에 대한 오버헤드가 줄어든다.

 

즉, 프로세스와 쓰레드의 차이는 멀티-쓰레드의 경우 kernel mode에서 실행되는 Context Switchig이 필요 없으며, 이로 인해 프로세스 간의 정보 교환과 달리 상대적으로 적은 오버헤드로 작업을 진행할 수 있다. 이와 달리 멀티-프로세스의 경우 프로세스 간의 정보 교환을 위해 kernel mode로 전환하여 kernel에서 Context Switchig 작업을 진행 한다는 차이가 있다.