[Java] 멀티 스레딩 - 프로세스(Process), 스레드(Thread), 컨텍스트 스위치(Context Switch)

1. 시스템 기본 동작 방식 - Process, Thread 

각종 운영체제와 어플리케이션은 파일의 형태로 저장되어 있다.

컴퓨터 실행 시 운영체제(Operating System)가 디스크에서 메모리로 로드되고

운영체제는 사용자와 하드웨어, CPU 사이의 상호작용을 도와주는 역할을 수행한다.

우리가 어플리케이션을 실행하면 운영체제가 디스크의 프로그램을 메모리로 가져와 인스턴스를 생성하여 실행하는데, 

이렇게 메모리에서 실행 중인 하나의 인스턴스를 프로세스(Process) 또는 컨텍스트(Context)라고 한다. 

프로세스는 PID, File, Data, Heap, Code, Thread 로 구성되어 있으며, 하나의 프로세스에는 최소 하나 이상의 스레드(Main Thread)를 가지고 작업을 실행한다. 각 프로세스는 시스템에서 독립적으로 실행된다.

스레드(Thread)는 프로세스 내에서 실제 작업을 수행하는 주체로,  스택(Stack), 명령어 포인터(Instrudction Pointer)로 구성되며 프로세스 내의 컴포넌트(File, Heap 등..)을 공유한다. Stack은 메모리 영역으로 지역변수와 기능이 실행되는 영역, Instruction Pointer는 스레드가 실행할 다음 명령어의 주소를 가르키는 영역이다.

 

• 프로세스
  : 실행 중인 하나의 프로그램 인스턴스, 하나 이상의 스레드를 가지며 독립적으로 실행
• 스레드
  : 프로세스의 작업을 실제 실행하는 주체, 각 스레드는 프로세스 내의 다양한 리소스 공유

 

 

2.  컨텍스트 스위치(Context Switch)

: 하나의 cpu에서 여러 스레드를 돌아가며 실행 및 종료하는 것

일반적으로 코어 수 < 프로세스 수 < 스레드 수로 구성되기 때문에 스레드는 CPU의 실행을 두고 서로 경쟁하는 구조를 가진다.

하나의 코어에서는 스레드를 하나만 실행하기 때문에 운영체제가 코어에 여러 스레드를 하나씩 번갈아 가며 할당하여 실행과 종료를 반복하는데, 이것을  컨텍스트 스위치(Context Switch)라고 한다.

 

중요한 점)

cpu에서 실행되는 각 스레드는 cpu 내의 레지스터, 캐시 및 메모리 내의 커널 리소스와 같은 자원의 일부분 사용하기 때문에

다른 스레드로 전환 시 기존의 데이터 저장 및 사용중이던 리소스의 복원 작업을 실행한다.

그래서 동시에 많은 스레드를 다룰 경우 *Thrashing이 발생해 효율성이 떨어진다. (병행성의 대가)

스레드는 프로세스보다는 리소스를 적게 사용하는데, 프로세스 내의 자원을 공유하기 때문이다. 그래서 같은 프로세스 내부의 스레드의 컨텍스트 스위치가 다른 프로세스 간의 스레드 컨텍스트 스위치보다 더 효율적이다.

 

* Thrashing (스래싱) 

: 운영체제가 필요한 작업을 생산적으로 실행하는 대신 스레드 관리에 더 많은 시간을 소모하는 것

 

 

 

3. 멀티 스레드 vs 멀티 프로세스

멀티 스레드 특징

- 여러 스레드는 많은 자원을 공유

- 스레드의 생성과 파기가 빠르다

- 같은 프로세스 안에서 스레드를 전환하는 것이 다른 프로세스에서 전환하는 것 보다 더 빠르다

- 하나의 스레드로 인한 프로세스 전체 다운 가능성이 있다

 

멀티 프로세스 특징

- 프로그램을 독립된 프로세스에서 실행가능

- 보안 혹은 안정성이 중요한 경우 사용하는게 좋다

- 서로 관련 없는 작업으로 공유 자원이 필요 없는 경우 멀티 스레드를 구성할 필요가 없다