프로세스와 쓰레드의 차이점, 프로세스 생명 주기와 동시성의 이해 #46

위 글은 프로세스와 쓰레드에 대한 이해를 돕기 위해 작성되었습니다. 특히, 컴퓨터 과학의 기초 개념인 프로세스와 쓰레드를 쉽게 이해할 수 있도록 우주 탐사와 같은 비유를 통해 설명하고 있습니다. 이를 통해 독자들이 프로세스와 쓰레드의 개념을 명확히 파악하고, 실생활의 컴퓨팅 경험과 연결 지어 이해할 수 있도록 돕는 것이 목적입니다.

프로세스와 쓰레드의 차이점

 

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프로세스와 쓰레드 (Process vs Thread)

  프로세스 (Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램이라고 간단히 설명할 수 있지만, 이는 빙산의 일각에 불과합니다.

프로세스는 마치 소형 우주와 같습니다. 각 프로세스는 자신만의 '우주'인 가상 메모리 공간을 가지고 있어요. 이 공간에는 프로그램 코드, 데이터, 스택, 힙 등 프로세스가 작동하는 데 필요한 모든 것이 들어 있습니다. 마치 우주 정거장이 우주인들의 생존에 필요한 모든 것을 갖추고 있는 것처럼 말이죠.

 

프로세스의 생명 주기는 흥미진진한 여정과 같습니다.

1. 생성 (Creation): 프로그램이 실행되면 운영체제가 새로운 프로세스를 만듭니다. 이는 마치 새로운 우주가 탄생하는 순간과 같아요.
2. 준비 (Ready): 프로세스가 CPU 시간을 기다리는 단계입니다. 마치 우주선이 발사를 기다리는 것과 비슷하죠.
3. 실행 (Running): CPU가 프로세스를 실행하는 단계입니다. 우주선이 우주를 탐험하는 것과 같아요.
4. 대기 (Waiting): 프로세스가 I/O 작업 등을 기다리는 단계입니다. 우주선이 다음 명령을 기다리는 것과 비슷합니다.
5. 종료 (Termination): 프로세스가 작업을 마치고 메모리에서 제거됩니다. 우주선의 임무가 끝나고 지구로 귀환하는 것과 같죠.

프로세스 간 통신(IPC, Inter-Process Communication)은 우주 정거장들이 서로 통신하는 것과 같습니다. 직접적인 메모리 공유는 불가능하지만, 특별한 통신 채널을 통해 메시지를 주고받을 수 있어요. 이는 마치 우주 정거장들이 특별한 통신 장비를 통해 서로 교신하는 것과 비슷합니다.

 

프로세스의 또 다른 흥미로운 특징은 '문맥 교환(Context Switching)'입니다. CPU는 매우 빠른 속도로 여러 프로세스를 번갈아 실행하는데, 이때 현재 실행 중인 프로세스의 상태를 저장하고 다음 프로세스의 상태를 불러오는 과정을 거칩니다. 이는 마치 영화감독이 여러 장면을 번갈아가며 촬영하는 것과 비슷해요. 각 장면(프로세스)의 세트, 배우의 위치, 소품 등(프로세스의 상태)을 정확히 기억했다가 다시 세팅해야 하는 것처럼 말이죠.

 

 

운영체제는 프로세스 관리의 대가입니다. 수많은 프로세스들의 우주를 조율하고, 각 프로세스에 공평하게 자원을 분배하며, 때로는 우선순위에 따라 특정 프로세스에 더 많은 관심을 기울이기도 합니다. 이는 마치 우주 관제 센터가 수많은 우주 탐사 임무를 동시에 관리하는 것과 같습니다.

 

프로세스의 세계는 끊임없이 변화하고 진화합니다. 최신 운영체제들은 더욱 효율적인 프로세스 관리 기법을 도입하고 있으며, 이는 우리가 사용하는 컴퓨터와 스마트폰의 성능 향상으로 이어집니다.

 

  쓰레드 (Thread)

쓰레드는 프로세스의 세계에서 빛나는 작은 별과 같습니다. 프로세스가 우주라면, 쓰레드는 그 우주 안에서 다양한 임무를 수행하는 우주 탐사선이라고 할 수 있죠.

 

쓰레드의 본질

쓰레드는 '실행의 흐름 (flow of execution)'입니다. 하나의 프로세스 안에서 여러 개의 쓰레드가 동시에 실행될 수 있어요. 이는 마치 한 편의 영화(프로세스) 안에서 여러 개의 서브플롯( 쓰레드)이 동시에 진행되는 것과 비슷합니다.

 

각 쓰레드는 자신만의 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택을 가집니다. 용어가 조금 그렇죠? 조금 다르게 표현하자면, 쓰레드는 자신만의 현재 진행 중인 프로그램의 진행 위치, 수행 중인 작업의 기억 공간, 작업 목록 정도로 말할 수 있겠습니다. 이는 마치 각 우주 탐사선이 자신만의 조종실, 장비, 연료를 가지고 있는 것과 같죠. 하지만 쓰레드들은 프로세스의 힙 메모리 영역을 공유합니다. 이는 우주 탐사선들이 같은 우주 정거장의 자원을 공유하는 것과 비슷해요.

 

쓰레드의 마법 (동시성과 병렬성)

쓰레드의 가장 큰 매력은 동시성(Concurrency)과 병렬성(Parallelism)을 가능케 한다는 점입니다.

• 동시성: 여러 작업을 번갈아가며 실행하는 것입니다. 이는 마치 요리사가 여러 요리를 번갈아가며 조리하는 것과 같아요. 단일 코어 CPU에서도 쓰레드를 통해 동시성을 구현할 수 있습니다.
• 병렬성: 여러 작업을 정말로 동시에 실행하는 것입니다. 이는 여러 요리사가 각자의 요리를 동시에 만드는 것과 같죠. 멀티 코어 CPU에서는 쓰레드를 통해 진정한 병렬 처리가 가능합니다.

 

쓰레드의 생애주기

쓰레드도 프로세스처럼 생애주기가 있습니다.

1. 생성 (New): 쓰레드가 만들어지지만 아직 실행되지 않은 상태
2. 실행 가능 (Runnable): 실행될 준비가 된 상태
3. 실행 (Running): CPU에 의해 실행 중인 상태
4. 차단 (Blocked): I/O 작업 등으로 인해 일시적으로 실행이 중단된 상태
5. 종료 (Terminated): 실행을 마친 상태

이 생애주기는 마치 우주 탐사선의 임무 단계와 비슷하다고 할 수 있어요.

 

쓰레드의 도전 (동기화와 데드락)

여러 쓰레드가 동시에 실행되면 재미있는 일들이 벌어집니다. 하지만 동시에 위험한 상황도 발생할 수 있죠.

• 동기화 (Synchronization): 여러 쓰레드가 공유 자원에 동시에 접근하려 할 때 발생하는 문제입니다. 이는 마치 여러 우주 탐사선이 동시에 같은 도킹 스테이션에 접근하려는 것과 같아요. 이를 해결하기 위해 뮤텍스(Mutex)나 세마포어(Semaphore) 같은 동기화 기법을 사용합니다.
• 데드락 (Deadlock): 두 개 이상의 쓰레드가 서로가 가진 자원을 기다리며 무한히 대기하는 상황입니다. 마치 좁은 길에서 마주 보고 선 자동차들이 서로 비켜주기를 기다리는 것과 비슷하죠. 이를 방지하기 위해 자원 할당 순서를 정하는 등의 기법을 사용합니다.
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쓰레드의 힘 (반응성과 성능 향상)

쓰레드의 가장 큰 장점은 프로그램의 반응성을 높이고 성능을 향상한다는 점입니다.

• 반응성: 긴 작업을 별도의 쓰레드로 실행하면, 주 쓰레드는 계속해서 사용자 입력에 반응할 수 있습니다. 이는 마치 주방장이 오래 걸리는 요리는 보조 요리사에게 맡기고, 자신은 계속해서 주문을 받는 것과 같아요.
• 성능 향상: 멀티 코어 시스템에서는 여러 쓰레드를 병렬로 실행하여 전체적인 처리 속도를 높일 수 있습니다.
• 이는 여러 요리사가 동시에 일하면 더 많은 요리를 더 빨리 만들 수 있는 것과 같습니다.

우리가 일상적으로 사용하는 많은 프로그램들이 멀티쓰레딩을 활용하고 있습니다.

인터넷 서핑 중 웹 브라우저를 통해 웹 페이지 렌더링, 파일 다운로드, 자바스크립트 실행 등을 별도의 쓰레드로 처리합니다. 또 MS 워드나 한글 프로세서로 문서 편집, 맞춤법 검사, 자동 저장 등을 동시에 수행하곤 합니다. 이밖에 게임을 할 때 역시 다 말할 수 없을 정도로 많은 쓰레딩이 실행되기도 합니다.