Process 와 Thread 주소공간 차이와 컨텍스트 스위칭 차이

프로세스(Process)와 스레드(Thread)는 운영체제에서 작업을 수행하는 기본 단위이다. 

프로세스(Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스를 의미한다. 각각의 프로세스는 독립된 메모리 공간을 가지고 있으며, 자신의 자원(메모리, 파일 핸들 등)을 가지고 있다. 실행되기 전 실행할 수 있는 파일을 프로그램이라고 하고 프로세스는 프로그램을 실행시켜 정적인 프로그램이 동적으로 변하여 실행되는 상태를 말한다.

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메모리 공간

각각의 프로세스는 독립된 주소 공간을 가지며, 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수는 없다.

1. 텍스트(코드) 영역

• 실행할 프로그램 코드가 저장되는 영역
• 보통 읽기 전용으로 설정되며, 여러 프로세스에서 공유할 수 있다. 예를 들어, 동일한 프로그램을 실행하는 여러 인스턴스는 동일한 코드 영역을 공유할 수 있다.

2. 데이터 영역

• 정적 데이터 섹션: 초기화된 전역 변수 및 정적 변수가 저장
• BSS(Block Started by Symbol) 섹션: 초기화되지 않은 전역 변수와 정적 변수가 저장
• 프로그램 시작 시 할당되며, 프로그램이 종료될 때까지 존재한다.

3. 힙(Heap) 영역

• 동적으로 할당된 메모리가 저장되는 영역
• 런타임 시 동적으로 메모리를 할당하고 해제할 수 있다. 메모리 관리의 책임은 프로그래머에게 있다. 예를 들어, malloc이나 new를 사용하여 메모리를 할당하고 free나 delete를 사용하여 해제한다.

4. 스택(Stack) 영역

• 함수 호출 시 생성되는 지역 변수, 함수 인수, 리턴 주소 등이 저장된다.
• 함수 호출 시 스택 프레임이 생성되고, 함수가 종료되면 해당 스택 프레임이 제거된다. LIFO(Last In First Out) 방식으로 관리된다.

코드 영역과 데이터 영역은 선언할 때 그 크기가 결정되는 정적 영역이지만, 스택 영역과 힙 영역은 프로세스가 실행되는 동안 크기가 늘어났다 줄어들기도 하는 동적 영역이다.

 

스레드(Thread)

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 작은 실행 단위이다. 같은 프로세스 내에 스레드는 동일한 메모리 공간을 공유하며, 프로세스의 자원에 접근할 수 있다.

 

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메모리 공간

스레드는 같은 프로세스 내에 코드(텍스트) 영역, 데이터 영역, 힙 영역을 공유해서 사용하고, 각각의 스택과 작은 레지스터 공간만 할당 받는다.

스레드는 독립적으로 실행되는 흐름이다. 독립적인 스택을 사용함으로써 스레드는 다른 스레드의 함수 호출이나 지역 변수에 영향을 주지 않고, 자신만의 독립적인 실행 흐름을 유지할 수 있다.

 

멀티 프로세싱, 멀티 스레딩 환경시, 프로세스 문맥 전환과 스레드 문맥 전환 비교

1. 주소 공간 공유
   • 프로세스: 서로 다른 프로세스는 독립적인 주소 공간을 가지므로, 페이지 테이블을 변경해야 한다. 메모리 매핑 정보를 무효화하고 다시 로드해야 하기 때문에 비용이 많이 든다.
   • 스레드: 동일한 프로세스 내의 스레드는 같은 주소 공간을 공유하므로, 페이지 테이블을 변경할 필요가 없다. 따라서 메모리 매핑 정보를 무효화할 필요가 없고, 이로 인해 비용이 절감된다.
2. 캐시 무효화
   • 프로세스: 프로세스 간 전환 시, CPU 캐시(명령어 캐시, 데이터 캐시)를 무효화하고 다시 로드해야 한다.
   • 스레드: 동일한 프로세스 내의 스레드는 같은 주소 공간을 공유하므로, 캐시 무효화가 필요하지 않다.
3. 데이터 경중
   • 프로세스: PCB에는 프로세스의 메모리 관리 정보, 열린 파일 목록 등 더 많은 정보를 저장하므로 상대적으로 무겁고, 그러므로 복원해야할 양도 많아진다.
   • 스레드: TCB는 스레드의 레지스터 상태, 스택 포인터 등의 정보를 저장하기에 상대적으로 가볍다.