프로세스와 스레드의 개념
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프로그램(Program) : 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일
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프로세스(Process) : 컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램. 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체) 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
- 특징
각각의 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받는다.
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기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(=메인 스레드)를 가지고 있다.
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각 프로세스는 별도의 주소 공간에서 실행되며, 한 프로세스는 다른 프로세스의 변수나 자료구조에 접근할 수 없다.
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한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(inter-process communication, IPC)을 사용해야 한다.
ex) 파이프, 파일, 소켓 등을 활용
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프로세스는 상태(Status)가 변경되며 수행되는데, 상태의 종류는 다음과 같다.
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Running: CPU를 잡고 instruction을 수행 중인 상태 -
Ready: CPU를 기다리는 상태 -
Blocked(waiting, sleep): CPU를 주어도 당장 instruction을 수행할 수 없는 상태. Process가 요청한 이벤트(입출력 등)가 완료되지 않아 대기 중인 상태 -
New: 디스크에서 메모리로 프로그램이 올라가 실행준비를 하는 상태 -
Terminated: 수행(execution)이 끝난 상태
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ps명령어ps명령어는 현재 실행중인 프로세스의 목록과 상태를 보여준다.
이 명령어에서 사용할 수 있는 옵션은 다음과 같다.옵션 설명 -A 모든 프로세스 출력 a 터미널과 연관된 프로세스를 출력. 보통 x 옵션과 연계하여 모든 프로세스를 출력할 때 사용 -a 세션 리더를 제외한 터미널에 종속되지 않은 모든 프로세스를 출력 -e 커널 프로세스를 제외한 모든 프로세스 출력 -f 프로세스 정보를 풀 포맷으로 출력. UID, PID, PPID 등이 함께 표시된다. -o [값] 출력 포맷 지정. pid, tty, time, cmd 등을 지정할 수 있다. -M 64bit 프로세스들을 출력 -m 프로세스 뿐만 아니라 커널 스레드들도 출력 -p 특정 PID를 지정할 때 사용 -r 실행중인 모든 프로세스를 출력(running) -u 특정 사용자의 프로세스 정보를 출력(사용자를 지정하지 않으면 현재 사용자를 기준으로 정보 출력)
특정 프로세스를 확인하기 위해 주로
grep명령어와 함께 쓰인다.ps -ef | grep '프로세스 명'
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이해를 돕기 위해 비유를 해보자면, 메모장 앱은 프로그램이고, 메모장 앱을 실행시켰을 때 뜨는 각 창들이 각각의 프로세스로서 동작하고 있는 것이라고 할 수 있다.
| 프로그램 | 프로세스 |
|---|---|
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- 스레드(Thread)
: 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위
- 프로세스의 특정한 수행 경로
- 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위
- 특징
- 각각의 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack 메모리 영역만을 따로 할당받고 나머지 Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
- 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(Heap 등)을 같은 프로세스 내의 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
- 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.
프로세스와 스레드의 차이
| 특징 | 프로세스 | 스레드 |
|---|---|---|
| 메모리 공유 | 프로세스 별로 별도의 메모리 영역을 할당 받는다. | 스레드 별로 Stack 영역만 별도로 할당받고 Code/Data/Heap영역은 공유한다. |
| Context Switching 속도 | (상대적으로) 느림 | 빠름 |
멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유
멀티 프로세싱
: 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(task)을 처리하도록 하는 것.
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장점
: 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 해당 자식 프로세스만 죽고 그 이상으로 다른 영향이 확산되지 않는다.
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단점
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Context Switching로 인한 오버헤드가 발생할 수 있다.
- Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 실행되고 많은 시간이 소요된다.
- 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받기 때문에 프로세스 사이에서 공유하는 메모리가 없어 Context Switching 시 캐시에 저장된 모든 데이터를 모두 삭제하고 다시 캐시 정보를 불러와야 한다.
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프로세스 사이의 통신이 어렵고 복잡하다.(IPC)
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멀티 스레딩
: 하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드가 하나의 작업을 수행하게 하는 것.
- 윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 대부분은 멀티 스레딩을 기본으로 한다.
- 웹 서버가 대표적 예시.
- 장점
- 시스템 자원 소모가 감소(자원의 효율성 증대)
- 시스템 처리량 증가(처리 비용 감소)
- 스레드 간 데이터를 주고 받는 작업이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어든다.
- 스레드 사이의 작업량이 작기 때문에 Context Switching이 빠르다.
- 간단한 통신 방법으로 인한 플로그램 응답 시간 단축.
- 스레드는 프로세스 내의 Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 스레드 간 통신 시 부담이 적다.
- 단점
- 주의 깊은 설계가 필요하다.
- 디버깅이 까다롭다.
- 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스가 영향을 받는다.
- 자원 공유 문제(동기화)
멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유?
- 주요 이유 : 프로그램을 여러 개 키는 것보다 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하기 위해
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자원의 효율성 증대
- 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
- 스레드는 프로세스 내의 메모리를 공유하기 때문에 독립적인 프로세스와 달리 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단하고 시스템 자원 소모도 적다.
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처리 비용 감소 및 응답 시간 단축 - 프로세스 간의 전환 속도보다 스레드 간의 전환 속도가 빠르다. => Context Switching 시 스레드는 Stack 영역만 처리하기 때문
자바 멀티 스레딩
자바 스레드(Java Thread)
- 일반 스레드와 거의 차이가 없으며, JVM이 운영체제(OS)의 역할을 한다.
- 자바에는 프로세스가 존재하지 않고 스레드만 존재하며, 자바 스레드는 JVM에 의해 스케줄링되는 실행단위 코드 블록이다.
- 자바에서 스레드 스케줄링은 전적으로 JVM에 의해 이루어진다.
- 다음과 같은 스레드와 관련된 많은 정보들도 JVM이 관리한다.
- 스레드가 몇 개 존재하는지
- 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치는 어디인지
- 스레드의 상태는 무엇인지
- 스레드 우선순위는 얼마인지
- 개발자가 자바 스레드로 작동할 스레드 코드를 작성한 후 JVM에 스레드 코드 실행을 요청하는 방식이다.
자바에서 Thread를 사용하는 법
Thread 클래스를 상속하면 run() 메서드를 구현해야 한다. 각 스레드에서 실행되는 코드를 run 메서드에 작성하면 된다.
그리고 start() 메서드를 호출하면 thread의 run() 메서드가 호출된다.
public class MyThread extends Thread {
public void run() {
System.out.pringln("스레드 작동 중~");
}
public static void main(String[] args){
Thread thread = new MyThread();
thread.start();
}
}멀티 스레딩을 구현하기 위해 run()에 1초 정도의 지연이 생기는 코드를 작성하고, 여러 개의 스레드 객체를 실행시켜 보자.
다음은 스레드 객체를 10개 만들어 순차적으로 1초 동안 쉬는 동작을 실행시키는 코드이다.
public class MyThread extends Thread {
int seq;
public MyThread(int seq) {
this.seq = seq;
}
public void run() {
System.out.println(this.seq + " 스레드 시~작!");
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (Exception e) {
}
System.out.println(this.seq + " 스레드 종료~!");
}
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Thread thread = new MyThread(i);
thread.start();
}
System.out.println("main 메서드 동작 끝~");
}
}Thread.sleep() 메서드는 ms단위로 일정 시간동안 Thread를 대기시킨다.
위 코드를 실행시키면 다음과 같은 결과가 출력된다.(스레드 실행 순서는 실행할 때마다 랜덤하게 정해진다.)
결과를 보면 스레드가 종료되기 전에 main 메서드가 종료된 것을 확인할 수 있다.
만약 스레드가 모두 종료된 후에 main 메서드를 종료하고 싶다면 join()을 사용하여 스레드가 종료될때까지 기다리게 할 수 있다.
import java.util.ArrayList;
public class MyThread extends Thread {
int seq;
public MyThread(int seq) {
this.seq = seq;
}
public void run() {
System.out.println(this.seq+" 스레드 시~작!");
try {
Thread.sleep(1000);
}catch(Exception e) {
}
System.out.println(this.seq+" 스레드 종료~!");
}
public static void main(String[] args) {
ArrayList<Thread> threads = new ArrayList<>();
for(int i=0; i<10; i++) {
Thread thread = new MyThread(i);
thread.start();
threads.add(thread);
}
for(int i=0; i<threads.size(); i++) {
Thread stackedThread = threads.get(i);
try {
stackedThread.join();
}catch(Exception e) {
}
}
System.out.println("main end.");
}
}main() 메서드를 보면 스레드 객체들을 실행시킴과 동시에 리스트에 담아두고, 리스트 내의 모든 Thread 객체의 실행이 종료될 때까지 대기한다.
출력된 결과를 보면 의도한 대로 Thread의 실행이 모두 끝난 후 main() 메서드의 실행이 끝나는 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 Thread 클래스보단 Runnable 인터페이스를 구현하는 방식으로 만든다. 사용 방법은 Thread 클래스를 상속하는 방법과 거의 동일하다.
public class MyThread implements Runnable {
public void run() {
System.out.pringln("스레드 작동 중~");
}
public static void main(String[] args){
Thread thread = new Thread(new MyThread());
thread.start();
}
}이 경우 extends 키워드를 implements로 변경하고, 객체 생성 시 Thread 클래스의 생성자에 인자로 구현체 객체를 넣어주면 된다.
참고 자료
[OS] 프로세스와 스레드의 차이 - Heee's Development Blog
[리눅스, 유닉스] ps 프로세스 명령어 완벽 정리, 프로세스 관리, 계열에 따른 옵션 차이, 조건에 맞게 프로세스 정보 추출하기