프로세스와 스레드의 차이

📌 프로그램

✔ 사전적 의미

• "파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태"
• 아직 실행되지 않은 파일 그 자체
• 윈도우의 .exe 파일이나 MacOS의 .dmg 파일 등등 사용자가 눌러서 실행하기 전의 파일

📌 프로세스

✔ 사전적 의미

• "컴퓨터에서 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램"
• 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스
• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
  • 할당받는 시스템 자원
    • CPU 시간
    • 운영되기 위해 필요한 주소 공간
    • Code, Data(전역 변수들을 수록), Stack(매개변수, 복귀 주소와 로컬 변수와 같은 임시 자료저장), Heap(프로세스 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리)의 구조로 되어 있는 독립된 메모리 영역
• 즉, 동적인 개념으로는 실행된 프로그램을 의미한다.

✔ 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

✔ 프로세스 제어 블록(Process Control Block, PCB)

• PCB 는 특정 프로세스에 대한 중요한 정보를 저장 하고 있는 운영체제의 자료구조이다.

• 운영체제는 프로세스를 관리하기 위해 프로세스의 생성과 동시에 고유한 PCB 를 생성 한다.

• 프로세스는 CPU 를 할당받아 작업을 처리하다가도 프로세스 전환이 발생하면 진행하던 작업을 저장하고 CPU 를 반환해야 하는데, 이때 작업의 진행 상황을 모두 PCB 에 저장하게 된다. 그리고 다시 CPU 를 할당받게 되면 PCB 에 저장되어있던 내용을 불러와 이전에 종료됐던 시점부터 다시 작업을 수행한다.

• PCB 에 저장되는 정보

  	- 프로세스 식별자(Process ID, PID) : 프로세스 식별번호
  	- 프로세스 상태 : new, ready, running, waiting, terminated 등의 상태를 저장
  	- 프로그램 카운터 : 프로세스가 다음에 실행할 명령어의 주소
  	- CPU 레지스터
  	- CPU 스케쥴링 정보 : 프로세스의 우선순위, 스케줄 큐에 대한 포인터 등
  	- 메모리 관리 정보 : 페이지 테이블 또는 세그먼트 테이블 등과 같은 정보를 포함
  	- 입출력 상태 정보 : 프로세스에 할당된 입출력 장치들과 열린 파일 목록
  	- 어카운팅 정보 : 사용된 CPU 시간, 시간제한, 계정번호 등

📌 스레드

✔ 사전적 의미

• "프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위"
• 프로세스의 특정한 수행 경로
• 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

✔ 특징

• 스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 할당받고 Code,Data,Heap 영역은 공유
• 스레드는 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름으로, 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들(힙)을 같은 프로세스 내에 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
• 같은 프로세스 안에 있는 여러 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
• 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.

✔ 자바 스레드(Java Thread)

• 일반 스레드와 거의 차이가 없으며, JVM가 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.

• 아래와 같은 스레드와 관련된 많은 정보들도 JVM이 관리한다.

  	- 스레드가 몇 개 존재하는지
  	- 스레드로 실행되는 프로그램 코드의 메모리 위치는 어디인지
  	- 스레드의 상태는 무엇인지
  	- 스레드 우선순위는 얼마인지

• 즉, 개발자는 자바 스레드로 작동할 스레드 코드를 작성하고, 스레드 코드가 생명을 가지고 실행을 시작하도록 JVM에 요청하는 일 뿐이다.

❗ 스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로 스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.

❗ PC Register 를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다. 스레드는 CPU 를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.

🧩 References

• https://gmlwjd9405.github.io/2018/09/14/process-vs-thread.html
• https://velog.io/@raejoonee/%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4
• https://github.com/JaeYeopHan/Interview_Question_for_Beginner/tree/master/OS#%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C%EC%9D%98-%EC%B0%A8%EC%9D%B4