📘 Process && Thread

컴퓨터 관련 전공학생들이면 다들 한번씩은 들어봤을거다. 우선 정의를 먼저 한번 보자.

프로세스(Process) : 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위

스레드(Thread) : 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위

이해하기 쉽게 비유를 들어보자.

프로세스는 맥도날드 가게(독립된 임대 공간)

스레드는 맥도날드의 직원들(재고, 계산대, 공간 공유)

정의와 비유는 이 정도로 정리하고, 이제 실제로 무엇이 다르고 왜 문제가 발생하는지 구조적으로 살펴보자.

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프로그램

프로세스와 스레드에 대해 자세히 설명을 하기 위해서는 먼저 프로그램에 대해 알아야한다.
프로그램을 모르는 사람이 어딨어,,할 수 있지만 막상 프로그램에 대해 설명해봐라 하면 제대로 답하는 사람이 거의 없을거다.

우선 프로그램의 정의은 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태를 말한다.

운영체제가 메모리 공간을 할당해 줘야 프로그램이 실행되는데, 아직 메모리 공간을 할당해 주지 않아서 메모리에 올라가 있지 않다 하는 거다. 또 그렇기에 실행되지 않아서 정적(static)인 상태가 되는 거고..

벌써 어렵다. 쉽게 설명하면 아까 프로세스가 가게라고 하고 스레드가 직원들이라 했으면 프로그램은 그 가게의 설계도라고 생각하면 된다.

결론은 프로그램은 아직 실행되지 않은 (설계도니까 아직 만들지 않은) 상태인거다. 우리가 쓰는 윈도우의 *.exe 파일이나 맥의 *.dmg 파일처럼 사용자가 눌러 실행하기 전의 파일을 말한다. 코드 덩어리라고 생각하면 편하다.

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프로세스

그럼 정적인 프로그램을 실행시켜 동적인 상태, 즉 작업 중인 상태로 만들면 뭐라할까? 이러한 상태의 프로그램을 바로 프로세스라고 한다.

위 사진처럼 작업 관리자를 열어보면 지금 실행중인 프로세스들을 볼 수 있다.

모든 프로그램들은 운영체제가 메모리 공간을 할당해야 실행될 수 있는데, 프로그램이 실행하게 되면 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 운영체제로부터 시스템 자원(CPU)을 할당받아 프로그램 코드를 실행시켜 서비스를 이용할 수 있게 되는거다.

쉽게 설명하면 프로그램은 가게의 설계도인데, 실행을 하는 순간 운영체제가 가게를 하나 열어주는 거다. 메모리 안에 공간을 내어주고 코드, 변수, 함수들을 그 공간에 배치한다. 이게 바로 메모리에 올라간다는 말이다.

똑같은 애플리케이션을 실행하면 프로세스(동적), 실행하지 않으면 프로그램(정적)인거다.

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스레드

스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위다.

과거에는 하나의 프로세스가 하나의 작업을 처음부터 끝까지 처리하는 방식이 일반적이었다. 하지만 프로그램이 점점 복잡해지면서 한 번에 여러 작업을 동시에 처리해야 하는 상황이 생겼다.

예를 들어, 화면을 렌더링하면서 사용자 입력을 받고 네트워크 통신을 처리해야 한다.

하나의 실행 흐름으로 이 모든 일을 처리하면 중간에 대기 시간이 발생하고, 프로그램은 멈춘 것처럼 보이게 된다.

운영체제는 프로세스마다 독립된 메모리 공간을 부여하는데, 이 덕분에 안정성은 확보되지만 프로세스를 여러 개 생성하면 메모리와 자원 사용 비용이 커진다.

그래서 등장한 개념이 바로 스레드다.

스레드는 하나의 프로세스 안에서 자원을 공유하면서 동시에 여러 작업을 수행할 수 있게 해준다.

예를 들어 맥도날드 가게를 생각해보자.

손님이 들어오면 주문을 받고, 햄버거를 만들고, 계산을 하고, 음식을 전달해야 한다.

만약 직원이 한 명뿐이라면 어떻게 될까?

첫 번째 손님의 주문을 받고
햄버거를 만들고
감자튀김을 튀기고
계산까지 끝낸 다음에야
다음 손님의 주문을 받을 수 있다.

이렇게 되면 가게는 금방 줄이 길어지고 손님들은 기다리게 된다.

하지만 직원이 여러 명이라면 상황이 달라진다.
같은 가게 안에서 여러 작업이 동시에 진행되기 때문에 훨씬 빠르게 일을 처리할 수 있기때문이다.

즉, 프로세스가 프로그램의 실행 환경이라면 스레드는 그 안에서 실제로 일을 수행하는 실행 흐름이다.

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프로세스의 자원 구조

지금까지 프로세스와 스레드의 개념에 대해 알아보았다.

그렇다면 여기서 한 가지 질문이 생긴다.

프로세스가 운영체제로부터 할당받는 자원은 구체적으로 무엇일까?

프로세스는 단순히 “실행 중인 프로그램”이라는 개념에 그치지 않는다. 실제로는 운영체제로부터 메모리 공간을 할당받아 그 안에서 코드와 데이터를 실행한다.

즉, 프로세스는 자신만의 메모리 구조를 가지고 동작한다.

아래의 사진은 하나의 프로세스가 메모리를 어떻게 사용하고 있는지 보여주는 구조이다.

• 코드 영역(Code / Text)
  • 프로그래머가 작성한 프로그램 함수들의 코드가 CPU가 해석 가능한 기계어 형태로 저장
• 데이터 영역(Data)
  • 코드가 실행되면서 사용하는 전역 변수나 각종 데이터들의 모임
• 스택 영역(Stack)
  • 지역 변수 같은 호출한 함수가 종료되면 돌아올 임시 자료를 저장하는 독립적 공간. 함수의 호출과 함께 할당되며, 호출이 완료되면 소멸
  • 스택 영역 초과 시 stack overflow 발생
• 힙 영역
  • 생성자, 인스턴스와 같은 동적으로 할당되는 데이터들을 위해 존재하는 공간
  • 사용자에 의해 메모리 공간이 동적으로 할당, 해제

위 사진에서 스택과 힙 영역의 위아래로 화살표는 스택 영역과 힙 영역은 프로세스가 실행되는 동안 크기가 늘어났다 줄어들기도 하는 동적 영역을 표현한 것이다.

그럼 화살표가 없는 코드와 데이터 영역은? 선언할 때 그 크기가 결정되는 정적 영역이다.

즉 하나의 프로세스는 이런 메모리 구조를 가지며 실행된다.

그렇다면 스레드는 이 메모리 구조에서 어떤 자원을 공유하고 어떤 자원을 독립적으로 사용할까?

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스레드의 자원 구조

하나의 프로세스 안에서 실행되는 여러 스레드는 이 자원을 어떻게 사용할까?

스레드는 같은 프로세스 안에서 동작하기 때문에 대부분의 자원을 공유한다.

프로세스의 4가지 메모리 영역 중 Code, Data, Heap은 프로세스에 속한 모든 스레드가 함께 사용한다.

이 영역들은 프로세스 단위로 할당되는 자원이기 때문에 스레드마다 따로 존재하지 않는다. 즉 하나의 스레드가 힙 영역에 생성한 객체나 데이터를 다른 스레드가 가져와 읽거나 수정할 수 있다.

하지만 스레드는 각각 독립적인 실행 흐름을 가지기 때문에 Stack 영역은 스레드마다 별도로 할당된다.

스택에는 함수 호출 정보, 지역 변수, 실행 흐름 정보 등이 저장되는데 만약 여러 스레드가 하나의 스택을 공유하게 되면 실행 흐름이 서로 섞여 프로그램이 정상적으로 동작할 수 없기 때문이다.

하지만 이러한 구조는 장점만 있는 것은 아니다.

스레드가 대부분의 메모리를 공유한다는 것은 성능 면에서는 유리하지만 안정성 면에서는 취약할 수 있다.

여기서 프로세스와 스레드의 중요한 차이를 하나 더 알 수 있다.

만약 어떤 프로세스 하나에서 오류가 발생하여 강제로 종료된다면 다른 프로세스에는 어떤 영향이 있을까?

공유하고 있는 파일을 손상시키는 경우가 아니라면 보통 다른 프로세스에는 영향을 주지 않는다. 프로세스는 각각 독립된 메모리 공간을 사용하기 때문이다.

기본적으로 각 프로세스는 메모리 상에서 서로 다른 주소 공간(Address Space)에서 실행된다. 따라서 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 직접 접근할 수 없다.

하지만 스레드는 상황이 다르다.

스레드는 같은 프로세스 안에서 Code, Data, Heap 영역을 공유한다. 그래서 하나의 스레드에서 치명적인 오류가 발생하면 같은 프로세스에 속한 다른 스레드들 역시 함께 종료된다.

코딩을 하다 보면 Segmentation Fault 같은 오류로 프로그램 전체가 종료되는 경험을 해본 적이 있을 것이다. 이는 하나의 실행 흐름에서 발생한 오류가 프로세스 전체에 영향을 주기 때문이다.

프로세스를 하나의 프로그램이라고 보면, 스레드는 그 안에서 실행되는 각각의 함수 흐름과 비슷한 역할을 한다. 따라서 하나의 실행 흐름에서 치명적인 오류가 발생하면 같은 프로세스 안에서 동작하는 모든 실행 흐름이 함께 중단되는 것이다.

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프로세스의 자원 공유

지금까지 설명을 보면 한 가지 의문이 생길 수 있다.

프로세스는 서로 독립된 메모리 공간을 사용한다고 했는데 그렇다면 프로세스끼리는 정말 아무 자원도 공유할 수 없는 것일까?

기본적으로는 그렇다. 각 프로세스는 서로 다른 주소 공간에서 실행되기 때문에 한 프로세스가 다른 프로세스의 변수나 메모리에 직접 접근하는 것은 불가능하다.

하지만 실제 운영체제에서는 여러 프로그램이 서로 데이터를 주고받아야 하는 상황이 많다. 예를 들어 웹 브라우저와 다운로드 프로그램, 또는 서버와 데이터베이스 같은 프로그램들은 서로 데이터를 교환해야 한다.

이러한 문제를 해결하기 위해 운영체제에서는 프로세스 간 통신(IPC, Inter Process Communication) 방법을 제공한다.

대표적인 IPC 방식에는 Pipe, Message Queue, Shared Memory, Socket이 있다.

이러한 메커니즘을 통해 서로 독립된 프로세스들도 데이터를 교환하며 협력할 수 있다.

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정리

지금까지 프로세스와 스레드의 개념과 메모리 구조에 대해 살펴보았다.

프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받아 실행되는 프로그램의 단위이며 각각 독립된 메모리 공간을 사용한다.

반면 스레드는 하나의 프로세스 안에서 실행되는 흐름의 단위로 Code, Data, Heap 영역을 공유하면서 동작한다.

이러한 구조 덕분에 스레드는 빠르고 효율적으로 여러 작업을 동시에 처리할 수 있지만 자원을 공유하기 때문에 안정성 측면에서는 주의가 필요하다.

다음 글에서는 이러한 특징을 바탕으로 멀티 프로세스와 멀티 스레드의 차이에 대해 살펴보자.