[CS] Process(프로세스) 와 Thread(쓰레드)

🔊 해당 포스팅은 YouTube 채널 널널한 개발자님이 제공하시는 무료 강의 영상인 운영체제와 시스템 프로그래밍 영상을 보고 개인적인 정리 목적하에 작성되었습니다. 하단에 사용된 자료는 필자가 직접 재구성한 자료임을 알립니다.

 

이번 포스팅에서는 CS를 공부하면서 가장 헷갈리는(?) 개념들인 프로세스와 쓰레드에 대해 알아보도록 하자.

 

애플의 컴퓨터, 맥킨토시

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1. 프로세스, 너는 누구니?

훌륭한 나무위키에 따르면 프로세스란, 컴퓨터에서 실행중인 프로그램을 의미한다. 예를 들어보자. 우리는 MS Word 라는 애플리케이션을 이용하려고 한다. 가장 처음에 할 것은 컴퓨터에 MS Word 라는 프로그램을 설치해야 한다. Microsoft365 사이트에가서 이러쿵 저러쿵 로그인을 한 후 MS Word 프로그램을 컴퓨터에 잘 설치했다. 지금 이 순간! 설치한 MS Word는 프로세스가 아닌 프로그램이다.

 

이제 우리의 목표는 MS Word를 이용해서 문서를 작성하는 것이다. 현재 MS Word를 컴퓨터를 설치한 것 뿐이지, MS Word를 이용하고 있지는 않다. 이용하기 위해서 MS Word 아이콘을 "따블(?) 클릭"을 한다. 그러면 촤라락 MS Word의 멋진 아이콘이 등장하면서 MS Word 문서 GUI 화면이 모니터에 등장한다. 지금 이 순간! 실행 중인 MS Word를 바로 프로세스라고 한다.

 

지금까지 직관적으로 프로세스라는 개념을 이해해보았으니, 컴퓨터 분야에서 일하는 우리들인 만큼 이제 좀 더 전문적인 영역에서 정의를 해보자.

 

프로세스는 연속적으로 이루어져 있는 하나의 연산 흐름(flow)이라고 할 수 있다. 예를 들어, 아래와 같은 Python 코드가 있다고 해보자. 

 

total = 0
for i in range(100):
    total += i 
print(total)

 

위 코드는 단순히 0부터 99가지의 숫자를 모두 더한 값을 계산하는 코드다. 핵심은 위와 같은 코드도 하나의 연산 흐름이 있다는 것이다. 가장 처음에는 0에 1을 더하고, 1에 2를 더하고, 3에 3을 더하고, .... 이렇게 계속 연속적인 연산의 흐름이 생긴다. 이를 하나의 프로세스라고 할 수 있다. 또 다른 말로 이 '흐름'을 Task 또는 Context 라고도 한다.(그래서 추후에 배울 프로세스 내 Context Switching 이라는 말이 등장하는 기원이기도 하며 멀티 태스킹이라는 것이 곧 멀티 프로세싱과 비슷한 의미를 갖는 이유다)

 

이제 프로세스에 대한 자체적인 정의는 끝이 났다. 이번엔 운영체제(이하 OS)와 연관지어서 프로세스를 정의할 수 있다. 프로세스란 OS가 관리하는 단위이다. 다시 말해서, OS는 파일, 연산자원(CPU, RAM 등..)에 대한 접근 제어를 프로세스 단위로 하여 수행을 한다. 쉽게 말해서 OS가 "야, 1번 프로세스. 너는 CPU의 Core 몇 개만 사용하고, RAM의 어떤 부분만 사용해 임마!" 하는 것이다. 

2. 프로세스의 생성 과정과 상태

위에서 프로세스에 대한 정의에 대해 알아보았으니 다음은 프로세스가 생성되는 과정과 상태에 대해 알아보도록 하자. 앞으로 쓰레드라는 개념이 등장하는데, 쓰레드는 프로세스 내에 존재하는 실질적인 연산 실행 단위이다. 비유하자면 프로세스는 가족, 쓰레드는 가족을 구성하는 개인이라고 할 수 있다.

 

 

하나의 가족은 1개의 프로세스라고 할 수 있다. 그리고 1개의 가족은 1개의 집에서 공동 거주를 한다. 이는 1개의 프로세스가 생성되면 1개의 VMS(Virtual Memory Space)가 새로 할당된다. 그리고 집을 구성하는 3개의 방은 곧 VMS 내에서 각 쓰레드마다 할당되는 쓰레드 전용 메모리 공간을 의미한다.(이를 TLS라는 Thread Local Storage 와 Stack 등으로 구성되어 있다) 각 쓰레드마다 할당되는 공간은 각 쓰레드마다 독립적이다. 하지만 집에서 구성원들이 공용으로 사용하는 거실, 화장실, 부엌같은 영역이 있는데, 이는 VMS 공간 내에서 Heap 메모리와 실행코드 영역이 해당된다. 이 영역은 해당 프로세스 내에 있는 모든 쓰레드들이 공유할 수 있는 자원들이다. 좀 더 첨언하자면 이 공유할 수 있는 자원들을 놓고 여러 쓰레드들이 서로 이용하려고 경쟁하려는 것을 경쟁 상태 즉, Race Condition 이라고 부른다.

 

다음으로는 프로세스의 상태에 대해 알아보자. 프로세스에는 '상태'라는 것이 존재한다. 그리고 이 상태는 시간이 지남에 따라 전이(transition)되기도 한다. 그럼 언제 전이될까? 바로 프로세스가 [생성 → 실행 → 완료] 되는 과정에서 일련의 싸이클이 존재한다. 아래 그림을 보자.

 

프로세스 상태의 싸이클

 

가장 먼저 프로세스가 생성이 되면 준비 상태로 전이 되면서 PCB 라는 것이 만들어진다. 위 그림에서도 써놓았지만 PCB는 OS가 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 정보를 담는 공간이다. 예를 들어, 특정 프로세스가 실행되다가 잠시 중단시켰다. 그리고 나중에 다시 해당 프로세스를 재개할 것인데, 그러려면 중단 시킨 프로세스에 대한 정보가 필요하다. 그래야 OS가 "아까 내가 중단시켰던 프로세스를 지금 다시 재개해야겠어. 근데 아까 중단시킨 프로세스가 뭐였더라?" 하면서 PCB에 있는 정보를 참조할 수 있기 때문이다. 

 

이렇게 준비상태가 된 프로세스는 실행 상태로 전이하기 위해서 디스패치라는 과정을 거친다. 디스패치에 대한 설명은 위 그림에 써놓았으니 읽어보도록 하자. 그리고 완료 상태로 바로 가거나 프로세스가 실행하려는 코드에 I/O 하는 과정이 있다면 I/O 요청을 한 후, 프로세스의 상태가 대기 상태로 전이된다. 개괄적인 싸이클은 이와 같고 나머지 보류 상태로 전이되는 과정은 위 그림 속 설명을 읽어보도록 하자.

 

그런데, 위 그림에서 한 가지 주목할 부분이 있다. 바로 아래의 초록색 점선으로 표시된 네모칸이 나타내는 영역인 프로세스가 보류되었다가 재개하는 부분이다. 

 

프로세스 싸이클 자료의 일부

 

바로 이러한 상황이 발생하는 경우, Context Switching 이라는 개념이 등장하게 된다. Context Switching이 일어나는 과정을 좀 더 쉽게 나타내면 아래와 같다.

 

프로세스들 간에 Context Switch 발생 과정

3. 프로세스의 생성과 복사

다음은 프로세스의 생성과 복사에 대해 알아보자. 직전에서는 단지 1개의 프로세스가 생성되고 그 프로세스가 어떻게 상태가 전이되는지 과정을 살펴보았다. 이번에 살펴볼 부분은 프로세스(a.k.a 부모 프로세스)가 또 다른 프로세스(a.k.a 자식 프로세스)를 생성할 때의 상황이다.

 

1번 목차에서 살펴본 것처럼 프로세스가 새롭게 생성되면 그 생성된 프로세스에 새로운 VMS와 PCB가 할당된다. 이 상태에서 새로운 프로세스 즉, 자식 프로세스를 생성시키는 명령어가 Unix 계열의 OS(MacOS, Linux)에서는 2가지가 존재하는데, 바로 fork() 와 exec() 이다. 이 2가지는 새로운 프로세스를 생성시키는 점에서는 동일하지만 세부적인 동작 과정에 차이가 존재한다. 그 차이점은 새로운 프로세스를 생성할 때 같이 생성되는 구성요소들(VMS, PCB 등)을 어떻게 하는지에 따라 달라진다.

 

자식 프로세스를 생성할 때 어떻게 될까?

 

먼저 fork() 부터 알아보자. fork()는 자식 프로세스를 생성할 때도 프로세스 생성 시 같이 생성되는 구성요소들을 새롭게 생성한다. 즉, VMS, PCB 와 같은 구성요소들을 새롭게 할당한다.

 

fork()로 프로세스 생성 시

 

반면에 exec()는 자식 프로세스를 생성할 때 VMS, PCB와 같은 구성요소들을 부모 프로세스 것을 그대로 이용한다. 그리고 자식 프로세스가 실행하는 실행 코드 영역이 부모 프로세스의 실행 코드 영역을 overwrite한다. 

 

exec()은 별도의 VMS, PCB를 새로 생성하지 않고, 부모 프로세스를 overwrite 한다

 

즉, exec() 명령어는 VMS와 PCB 같은 구성요소들을 새롭게 할당하지 않고 그대로 부모 프로세스를 덮어쓰기 때문에 별도의 리소스를 추가로 생성하거나 하는 과정이 없기 때문에 효율적이다. 다만, 부모 프로세스를 덮어버리기 때문에 부모 프로세스가 실행 중이던 것들은 모두 날라가 버린다. 따라서 부모 프로세스의 실행 코드가 덮어쓰여져도 좋다면 fork() 보다는 exec() 명령어로 자식 프로세스를 생성하는 것이 훨씬 더 효율적일 것이다.

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다음에 나올 내용들은 강의를 들으면서 중요하다고 강조하는 부분을 별도로 필기하여 정리한 내용이다.

기타1. 멀티 쓰레드와 동기화는 왜 관련이 있을까?

하나의 프로세스는 최소 하나의 쓰레드를 갖는다. 그리고 하나의 프로세스는 여러 개의 쓰레드를 가질 수 있다. 이 때를 멀티 쓰레드라고 한다. 그런데 멀티 쓰레드라는 개념이 나오면 같이 등장하는 개념이 바로 동기화(Synchronization)이다. 왜 동기화가 등장하는 것일까?

 

동기화를 알아보기 전에 멀티 쓰레드가 어떤 것을 추구하는지를 먼저 살펴보아야 한다. 멀티 쓰레드는 해당 프로세스가 실행해야 하는 연산의 흐름 즉, 태스크를 여러 개의 쓰레드가 동시에 수행을 한다. 결국, 동시성을 구현한다는 것이다. 하지만 이 동시성은 아무런 문제가 없을 것 같이 이상적일 것 같지만, 자칫하다간 이러지도 저러지도 못하는 교착 상태(Dead Lock)에 빠질 가능성이 존재한다. 그리고 이런 교착 상태를 피하고 예방하기 위해서는 반드시 동기화가 보장되어야 한다.

기타2. TCB란 무엇일까?

위에서 OS가 프로세스를 관리하기 위해 프로세스에 대한 정보를 담는 PCB가 있다라고 배웠다. 그런데 이러한 비슷한 역할을 하는 블록이 쓰레드 내에서도 존재한다. 바로 TCB(Thread Control Block)이다. TCB에 대해서 좀 더 자세히 알아보자.

 

쓰레드는 하나의 프로세스가 제공하고 있는 공간 내에서 각 쓰레드만의 고유한 공간과 쓰레드들 간에 공용으로 사용하는 공간을 사용한다고 했다. 이를 아래처럼 도식화해볼 수 있다.

 

 

위 그림을 보면 하나의 프로세스 내에 3개의 쓰레드가 있다고 가정한 것이다. 3개의 쓰레드는 공용으로 사용할 수 있는 정적영역이라고 불리는 것들이 있고, 그곳에는 실행할 코드와 전역 데이터, 파일 등이 존재한다. 그리고 중요한 부분은 각 쓰레드를 구성하는 것들 중 레지스터와 Stack 부분이다. 먼저 Stack는 매우 저용량 수준의 메모리 공간으로 보통 지역 변수, 자동 변수 등이 저장되어 있다.

 

우리가 주목할 부분은 바로 레지스터 부분이다. 쓰레드는 레지스터 정보를 가지고 있다. 엥? 갑자기 CPU도 아니고 레지스터가 왜 등장할까? 여기서 알아두어야 할 점은 쓰레드는 연산 실행의 단위이다. 즉, CPU Core 연산이 실질적으로 수행하는 곳이 바로 쓰레드임을 의미한다.

 

CPU는 연산을 수행할 때 CPU 내부에 있는 레지스터를 활용해 연산을 진행한다. 즉, 레지스터에서 계속 상태 변화가 발생한다는 것이다. 그래서 쓰레드는 이러한 레지스터의 상태를 저장하고 기록하기 위해서 TCB라는 공간에 해당 정보를 담아놓는다. 이렇게 TCB에 담아놓은 정보들을 이용해 쓰레드들은 레지스터의 상태를 백업했다가 다시 가져왔다가 하는 작업을 하는데, 이를 Context Switching 이라고 한다(프로세스 내에서의 Context Switching 이랑은 또 다르다!). 이렇게 컨텍스트 스위칭을 쓰레드도 하게 됨에 따라 프로세스에서 상태를 갖는 것처럼 쓰레드도 똑같이 상태(준비, 실행, 보류 등)를 갖는다.