클라이밍하는 개발자

Chapter10. 프로세스와 스레드

학습목표

• 프로세스 제어 블록이란 무엇인지 이해합니다
• 문맥 교환의 정의와 과정을 학습합니다
• 프로세스는 메모리에 어떻게 배치되는지 학습합니다
• 프로세스 상태와 프로세스 계층 구조를 학습합니다
• 스레드의 개념을 이해하고, 멀티프로세스와 멀티스레드의 차이를 이해합니다

프로세스 제어 블록

• 운영체제는 빠르게 번갈아 수행되는 프로세스의 실행 순서를 관리하고, 프로세스에 CPU를 비롯한 자원을 할당함.
• 이를 위해 운영체제는 프로세스 제어블록(PCB)를 이용
• 프로세스 제어 블록**(PCB)**은 프로세스와 관련된 정보를 저장하는 자료 구조
• 마치 상품에 달린 태그와 같음
• PCB는 커널 영역에서 생성됨
• 새로운 프로세스를 생성했다 → 운영체제가 PCB를 생성했다

문맥 교환

• 운영체제는 빠르게 프로세스의 실행순서를 관리함
• 프로세스 A에서 B로 바꿀때 A의 실행정보를 백업해야함
• 이러한 중간 정보, 즉 하나의 프로세스 수행을 재개하기 위해 기억해야 할 정보를 **‘문맥’**이라 함
• 기존 프로세스의 문맥을 PCB에 백업하고, 새로운 프로세스를 실행하기 위해 문맥을 PCB로부터 복구하여 새로운 프로세스를 실행하는 것을 **‘문맥 교환’**이라고 함
• 문맥 교환은 여러 프로세스가 끊임없이 빠르게 번갈아 실행되는 원리임

프로세스의 메모리 영역

• 프로세스가 생성되면 커널 영역에 PCB가 생성됨
• 사용자 영역에는 코드 영역, 데이터 영역, 힙 영역, 스택 영역으로 나뉘어 저장됨
• 정적 할당 영역 (크기가 고정된 영역)
  • 코드 영역: 텍스트 영역이라 불림. 실행할 수 있는 코드, 즉 기계어로 이루어진 명령어가 저장 됨
    • CPU가 실행할 명령어가 담겨 있기 때문에, 읽기 전용 공간
  • 데이터 영역: 프로그램이 실행되는 동안 유지할 데이터가 저장되는 공간
    • 대표적으로 전역 변수(프로그램이 실행되는 동안 유지되며, 프로그램 전체에서 접근 가능한 변수)
• 동적 할당 영역
  • 힙 영역
    • 프로그램을 만드는 사용자, 즉 프로그래머가 직접 할당할 수 있는 저장 공간
    • 메모리 공간을 할당 했다면 언젠간 반납해야 함
    • 반납하지 않는다면 메모리 누수 발생
  • 스택 영역
    • 데이터를 일시적으로 저장하는 공간
      • 매개변수, 지역변수

프로세스 상태

• 프로세스는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료 상태를 거치며 실행됩니다

스레드

• 스레드란 프로세스를 구성하는 실행의 흐름 단위

[비교] 멀티프로세스와 멀티스레드

https://pyoja.tistory.com/303

개인적으로 멀티프로세스와 멀티스레드를 한방에 이해 시켜준 사진

멀티 프로레스(크롬) VS 멀티 스레드 (익스플로어)

프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위

프로세스의 특징

• 프로세스는 각각 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받는다.
• 기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다. 각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
• 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC, inter-process communication)을 사용해야 한다. Ex. 파이프, 파일, 소켓 등을 이용한 통신 방법 이용

스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위 (= 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위)

스레드의 특징

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙 공간 등)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
• 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만, 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.
• 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.

멀티프로세스와 멀티스레드

멀티 프로세싱 (Multiprocessing)은 다수의 프로세서로 다수의 "프로세스"를 협력적으로 동시에 처리하는 것입니다.

멀티스레딩 (Multithreading)은 하나의 프로세스 안에서 여러 개의 실행 흐름 (스레드)을 두는 방식으로 여러 실행을 동시에 실행하도록 하나의 프로세스를 운영하는 방식입니다

[크롬]

멀티 프로세스의 장점

• 안정성 : 하나의 프로세스가 죽어도 다른 프로세스에 영향을 미치지 않습니다.
• 보안: 각 프로세스는 자신의 메모리 공간을 가지고 있어 다른 프로세스의 메모리에 접근할 수 없습니다.

멀티 프로세스의 단점

• 시스템 자원 소모: 각 프로세스는 자신만의 메모리 공간을 가지므로, 메모리를 많이 소모합니다.
• IPC(Inter-Process Communication)가 필요합니다.

[익스플로어]

멀티 스레드의 장점

• 시스템 자원 소모가 적습니다.
• IPC가 필요하지 않습니다.

멀티 프로세스의 단점

• 안정성: 하나의 스레드가 죽으면 전체 프로세스가 영향을 받습니다.
• 보안: 각 스레드는 자신이 속한 프로세스의 메모리 공간을 공유하므로, 다른 스레드가 메모리에 접근할 수 있습니다.

1. 동기와 비동기 코드 실행방식에 대해 설명해보세요.

동기는 요청을 보낸 후 응답을 받아야지만 다음 동작이 이루어지는 방식이다.

어떠한 태스크를 처리할 동안 나머지 태스크는 대기한다.

실제로 cpu가 느려지는 것은 아니지만 시스템의 전체적인 효율이 저하된다고 할 수 있다.

(작업을 동시에 수행, 동시에 끝남, 끝나는 동시에 시작함을 의미)

반면에 비동기는 요청을 보낸 후 응답의 수락 여부와는 상관없이 다음 태스크가 동작하는 방식이다.

자원을 효율적으로 사용할 수 있다. 이때, 비동기 요청시 응답 후 처리할 콜백 함수를 함께 알려준다.

(시작, 종료가 일치하지 않으며, 끝나는 동시에 시작을 하지 않음을 의미)

하지만 비동기 처리를 위해 여러개의 콜백함수를 중첩시키면 콜백지옥이 발생한다.

이를 해결하기 위해 Promise를 도입하였고, Async / Await 추가로 도입되었다.

추가내용 : https://pyoja.tistory.com/243

따라서 Node.js에서는 비동기 코드 실행 방식을 사용하여 I/O 작업을 처리하고, 

이를 통해 더 높은 처리량과 더 빠른 응답 시간을 달성합니다.

동기/비동기는 결과를 돌려주었을 때 순서와 결과에 관심이 있는지 아닌지로 판단할 수 있다.

<추가공부> 블로킹 vs 논블로킹

블로킹 : 자신의 작업을 진행하다가 다른 주체의 작업이 시작되면 다른 작업이 끝날 때 까지 기다렸다 작업(동기)

논블로킹 : 다른 주체의 작업에 관련없이 자신의 작업을 하는 것(비동기)

다른 주체가 작업을 할 때 자신의 제어권이 있는지 없는지로 볼 수 있다.

출처 : https://bit.ly/3KzKwPt

2. 프로세스와 스레드의 차이점은 무엇인가요?

면접질문시에 간단하게 이정도면 답하면 될 것 같다.

프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미하며, 메모리 상에서 독립적으로 할당되며 각각의 프로세스는 자신만의 고유한 주소 공간(메모리)을 갖고 있습니다. 즉, 다른 프로세스에 영향을 받지 않고 독립적으로 실행될 수 있는 단위입니다.

반면에 스레드(Thread)는 프로세스 내에서 실행되는 여러 실행 흐름 중 하나입니다. 

스레드는 프로세스 내에서 Stack 메모리 영역을 제외한 Code/Data/Heap 메모리 영역을 공유합니다. 

이러한 특성 때문에 스레드는 프로세스보다 더 가볍고 빠르게 생성 및 소멸할 수 있습니다.

또한 스레드는 프로세스 내에서 생성되기 때문에 프로세스 내의 데이터를 모두 공유할 수 있습니다. 

이를 통해 스레드 간의 데이터 전달이 더욱 쉬워지며, 이를 통해 더욱 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다.

예를들어 웹 브라우저는 하나의 프로세스입니다. 그리고 웹 페이지를 로딩하는 것은 하나의 스레드입니다. 이때 웹 페이지를 로딩하는 스레드는 다른 스레드와 데이터를 공유하며, 이를 통해 더욱 복잡한 작업을 수행할 수 있습니다.

<추가설명>

멀티프로세스는 안정성과 보안성이 높지만 시스템 자원 소모가 크고 IPC가 필요하며,

멀티스레드는 시스템 자원 소모가 적고 IPC가 필요하지 않지만 안정성과 보안성이 낮습니다.

이미지 출처 : https://www.youtube.com/watch?v=1grtWKqTn50 (우아한테크톡)