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프로세스와 스레드의 차이

프로세스(Process)란

  • 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스
  • 운영체제로부터 시스템 자원을 할당 받는 작업의 단위
    • 할당받는 시스템 자원의 예
      • CPU 시간
      • 운영되기 위해 필요한 주소 공간
      • Code, Data, Stack, Heap의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역
  • 즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미한다.

  • 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.

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    • Code, Data, Heap, Stack
      • Code 영역 : 프로세스가 실행할 코드가 기계어의 형태로 저장된 공간이다. (컴파일 타임에 결정, Read-Only)
      • Data 영역 : 전역 변수, static 변수 등이 저장된 공간이다. static 변수를 참조한 코드는 컴파일된 후 데이터 영역의 주소값을 가르킨다 (컴파일 타임에 결정, Read-Write: 실행 도중 변경 가능)
      • Heap 영역 : 프로그래머가 관리하는 메모리 영역으로, 힙 영역에 메모리를 할당하는 것을 동적 할당이라고 한다. 데이터 배열의 크기가 확실하지 않고 변동이 있을 때 Heap 영역을 활용해서 메모리를 할당한다. 단 사용하고 난 다음에는 반드시 해제를 해야한다. 안그러면 memory leak이 발생한다. (런타임에 결정, 스택보다 할당 할 수 있는 메모리 공간이 많으나, 포인터로 메모리 영역을 접근해야하기 때문에 다른 자료구조에 비해서 데이터 읽고 쓰기가 느림)
      • Stack 영역 : 함수 안에서 선언된 지역변수, 매개변수, 리턴값, 복귀 주소 등이 저장된다. 스택의 LIFO 방식에 따라 함수 호출 시 기록하고 종료되면 제거한다. (컴파일 타임에 결정, 정해진 크기가 있으므로 stack overflow 에러 발생 가능)
  • 각 프로세스는 별도의 (독립된) 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
  • 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC)을 사용해야 한다. (ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용)

스레드 (Thread)란

  • 프로세스가 할당 받은 자원을 이용하는 실행의 단위 (= 한 프로세스 내에서 동작하는 여러 실행의 흐름)

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  • 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
    • 같은 프로세스 내에 스레드끼리는 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들 (힙 공간 등)을 공유하면서 실행된다.
  • 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(siblig thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

자바 스레드 (Java Thread)란

  • 일반 스레드와 거의 차이가 없으며, JVM이 운영체제의 역할을 한다.
  • 자바에는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재하며, 자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄되는 실행 단위 코드 블록이다.
  • 자바에서 스레드 스케줄링은 전적으로 JVM에 의해 이루어진다. (그 외에도 스레드가 몇 개 존재하는지, 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치는 어디인지, 스레드의 상태는 무엇인지, 스레드의 우선순위는 얼마인지 등과 같은 정보들도 JVM이 관리한다.)
  • 즉, 개발자는 자바 스레드로 작동할 스레드 코드를 작성하고, 스레드 코드가 생명을 가지고 실행을 시작하도록 JVM에 요청하는 일 뿐이다.

멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유

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  • 쉽게 말하면, 프로그램을 여러 개 실행하는 것보다, 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이다.
  1. 자원의 효율성 증대
    • 멀티 프로세스 → 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  2. 처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
    • 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해짐 → 프로세스 간의 통신 (IPC)보다 스레드 간의 통신 비용이 적으므로 작업들 간의 통신 부담이 줄어든다.
    • 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다.
      • Context Switching 시
        • 프로세스 : CPU 레지스터 교체, RAM과 CPU 사이의 캐시 메모리에 대한 데이터까지 초기화 → 오버헤드가 크다.
        • 스레드 : Stack 영역만 처리한다.

주의할 점!

  • 동기화 문제
  • 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수(데이터 세그먼트)를 이용하므로 함께 사용할 때 충돌이 발생할 수 있다.

Thread-safe

  • Thread-safe란?
    • 멀티 스레드 환경에서 여러 스레드가 동시에 하나의 객체 및 변수(공유자원)에 접근할 때, 의도한 대로 동작하는 것을 말한다.
  • Thread-safe하게 구현하기
    • Thread-safe하기 위해서는 공유 자원에 접근하는 임계영역(critical section)을 동기화 기법으로 제어해줘야 한다. ⇒ 이를 ‘상호배제’라고 한다.
    • 동기화 기법으로는 Mutex나 Semaphore 등이 있다.

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