프로세스와 스레드

소프트웨어 개발을 하다 보면 프로세스, 스레드, 메모리 영역, 컨텍스트 스위칭, 레이스 컨디션, 세마포어, 뮤텍스, 그리고 데드락과 같은 개념들을 접하게 된다.

 

1. 프로세스와 스레드

프로세스(Process)

• 정의: 프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스를 의미한다.
  • 운영 체제에서 프로그램이 실행되면 해당 프로그램에 대한 프로세스가 생성된다.
• 특징:
  • 독립적인 메모리 공간: 프로세스는 고유의 메모리 공간(코드, 데이터, 힙, 스택)을 가지게 된다.
  • 자원 할당의 단위: 운영 체제는 프로세스 단위로 메모리, 파일 디스크립터 등의 자원을 할당한다.
  • 프로세스 간 통신(IPC): 프로세스들은 서로 독립적이므로 통신하기 위해서는 특별한 메커니즘(파이프, 소켓, 공유 메모리 등)이 필요하게 된다.

 

스레드(Thread)

• 정의: 스레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이다.
  • 하나의 프로세스는 여러 개의 스레드를 가질 수 있다.
  • 멀티 스레딩을 생각하면 이해가 빠르다.
• 특징:
  • 공유 메모리 공간: 같은 프로세스 내의 스레드들은 메모리 공간(코드, 데이터, 힙)을 공유.
    • 하지만 각자 자신만의 스택을 가진다.
  • 경량 프로세스: 스레드는 프로세스에 비해 생성 및 컨텍스트 스위칭 비용이 적다.
  • 동시성: 멀티스레딩을 통해 하나의 프로세스 내에서 동시성을 활용할 수 있다.

 

프로세스와 스레드의 차이

구분	프로세스	스레드
메모리 공간	독립적	공유(코드, 데이터, 힙)
스택	별도	개별적으로 존재
통신 방법	IPC 필요	직접 메모리 접근 가능
생성 비용	높음	낮음
컨텍스트 스위칭 비용	높음	낮음

 

 

2. 메모리 영역

프로그램이 실행되면 운영 체제는 해당 프로그램을 위해 메모리 공간을 할당한다.

이 메모리 공간은 여러 영역으로 나뉘게 된다.

이 부분은 다음을 참고할 수 있다.

 

https://u-bvm.tistory.com/158#1.%20%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%20%EB%A9%94%EB%AA%A8%EB%A6%AC%20%EA%B5%AC%EC%A1%B0-1

컴퓨터에서의 메모리란?

 

 

1. 코드 영역 (Text Segment)

• 내용: 실행할 기계어 코드가 저장되는 영역.
• 특징: 읽기 전용으로 설정되어 있어 코드의 무결성을 유지한다.

2. 데이터 영역 (Data Segment)

• 초기화된 데이터 영역: 초기값이 있는 전역 변수와 정적 변수가 저장된다.
• 초기화되지 않은 데이터 영역 (BSS): 초기값이 없는 전역 변수와 정적 변수가 저장된다.

3. 힙 영역 (Heap)

• 내용: 동적 메모리 할당(malloc, new 등을 통해 할당된 메모리)이 이루어지는 영역이다.
• 특징:
  • 크기가 동적으로 변함.
  • 데이터 영역과 스택 영역 사이의 공간을 자유롭게 활용 가능.

4. 스택 영역 (Stack)

• 내용: 함수 호출 시 생성되는 지역 변수, 매개변수, 반환 주소 등이 저장된다.
• 특징:
  • LIFO(Last-In, First-Out) 구조를 가진다.
  • 자동으로 할당 및 해제가 이루어진다.
  • 재구 호출 등을 통한 스택 오버플로우에 유의해야 한다.

힙과 스택의 차이

구분	힙	스택
할당 방법	프로그래머에 의해 직접 관리	컴파일러에 의해 자동 관리
속도	상대적으로 느림	상대적으로 빠름
구조	동적, 비순차적	LIFO 구조
공간 크기	크기가 크며 동적으로 확장 가능	크기가 제한적

 

 

3. 컨텍스트 스위칭 (Context Switching)

정의

컨텍스트 스위칭은 CPU가 하나의 프로세스나 스레드의 상태(Context)를 저장하고,

다른 프로세스나 스레드의 상태를 불러와 실행하는 과정을 의미한다.

왜 필요한가?

멀티태스킹 환경에서 CPU는 여러 프로세스나 스레드를 빠르게 전환하며 실행합니다.

이때 각 작업의 상태를 정확히 유지하기 위해 컨텍스트 스위칭이 필요하다.

저장해 두고 다음에 다시 그대로 실행할 수 있어야 하기 때문.

 

컨텍스트 스위칭 과정에서 일어나는 작업

1. 현재 실행 중인 프로세스/스레드의 상태 저장:
   • CPU 레지스터 값 저장
   • 프로그램 카운터(PC) 저장
   • 기타 실행 상태 정보 저장
2. 다음 실행할 프로세스/스레드의 상태 복원:
   • 저장된 레지스터 값 복원
   • 프로그램 카운터 설정
   • 메모리 맵 설정

프로세스 vs 스레드의 컨텍스트 스위칭

• 프로세스 컨텍스트 스위칭:
  • 메모리 공간이 변경되므로 오버헤드가 크다.
  • 캐시 미스 등이 발생할 수 있다.
• 스레드 컨텍스트 스위칭:
  • 같은 메모리 공간을 공유하므로 오버헤드가 적다.
  • 레지스터와 스택 포인터만 변경하면 된다.

 

 

4. 레이스 컨디션 (Race Condition)

정의

레이스 컨디션은 두 개 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 동시에 접근하여,

예상치 못한 결과를 초래하는 상황을 말한다.

예시

• 두 스레드가 동시에 변수 count를 증가시키려고 할 때, 의도한 결과가 나오지 않을 수 있다.

문제점

• 데이터 불일치로 인한 의도되지 않은 동작 유발
• 동시성 관리 실패로 인한 프로그램의 불안정성

 

5. 세마포어와 뮤텍스

동시성 문제를 해결하기 위해 다음의 메커니즘이 등장했다.

 

뮤텍스 (Mutex)

• Mutual Exclusion의 약자
• 특징:
  • 상호 배제를 보장.
  • 한 번에 하나의 스레드만 임계 영역에 들어갈 수 있다.
    • 임계 영역(Critical Section)이란 멀티 프로세스 환경에서 공유자원에 접근하는 코드 부분을 말한다.
• 사용 방법:
  • 임계 영역 진입 전에 lock 획득
  • 임계 영역 종료 후 lock 해제

 

세마포어 (Semaphore)

• 정의: 공유 자원에 대한 접근을 제한하는 카운터.
• 특징:
  • 카운터 값을 통해 동시에 접근 가능한 스레드 수를 제어한다.
  • 뮤텍스는 세마포어의 일종으로, 카운터 값이 1인 이진 세마포어라 볼 수 있다.
• 종류:
  • 카운팅 세마포어: 카운터 값이 0 이상인 일반적인 세마포어
  • 이진 세마포어: 카운터 값이 0 또는 1인 세마포어(뮤텍스와 유사)

 

세마포어 vs 뮤텍스

구분	세마포어	뮤텍스
소유권	없음	락을 획득한 스레드만 해제 가능
사용 목적	제한된 자원에 대한 접근 제어	상호 배제
카운터 값	0 이상 (카운팅 가능)	0 또는 1 (이진 상태)

 

 

6. 데드락 (Deadlock)

정의

데드락은 두 개 이상의 프로세스나 스레드가 서로 상대방이 점유한 자원을 기다리며 무한 대기 상태에 빠지는 현상.

 

데드락 발생 조건

1. 상호 배제 (Mutual Exclusion): 자원은 한 번에 하나의 프로세스만 사용할 수 있다.
2. 점유 대기 (Hold and Wait): 자원을 점유한 상태에서 다른 자원을 기다린다.
3. 비선점 (No Preemption): 다른 프로세스의 자원을 강제로 빼앗을 수 없다.
4. 순환 대기 (Circular Wait): 프로세스들이 원형으로 자원을 대기한다.

데드락 해결 방법

1. 예방
   • 데드락 발생 조건 중 하나를 제거.
   • 예: 자원을 한꺼번에 요청하게 하여 점유 대기를 막습니다.
     • 짜잘한 요청이 여러 번 락을 반복적으로 거는 것을 막는 것.
2. 회피
   • 시스템 상태를 모니터링하여 데드락이 발생하지 않도록 자원 할당을 조정합니다.
   • 은행가 알고리즘 등이 사용됩니다.
     • [운영체제] 만화로 알아보는 은행원 알고리즘(Banker's algorithm) (교착상태 회피 알고리즘)
3. 탐지 및 복구
   • 데드락 발생을 허용하되, 발생 시 이를 탐지하고 복구한다.
   • 복구 방법으로는 프로세스 종료, 자원 선점 등이 있다.

[운영체제] 만화로 알아보는 은행원 알고리즘(Banker's algorithm) (교착상태 회피 알고리즘)

 

 

결론

프로세스와 스레드는 프로그램의 실행 단위로서, 각각의 고유한 특성을 갖고 있다.

메모리 영역에 대한 이해는 효율적인 메모리 관리와 성능 최적화에 필수적이라고 할 수 있다.

동시성 프로그래밍에서는 이번에 다룬 개념들이 매우 중요하게 다뤄집니다.

특히 서버 개발에 있어 더더욱 중요한 개념들이라고 할 수 있다.

이러한 개념들을 정확히 이해하고 적용함으로써 안정적이고 효율적인 프로그램을 개발할 수 있을 것이다.