💻 프로세스와 스레드, 그리고 동시성과 병렬성까지

1. 프로세스(Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미한다. 즉, 우리가 작성한 코드가 메모리에 올라가고 운영체제로부터 자원을 할당받아 실제로 실행되고 있는 상태를 뜻한다.

운영체제는 각 프로세스마다 독립적인 메모리 공간을 할당하며 다음과 같은 영역을 가진다.

• Code 영역: 실행할 프로그램의 기계어 코드
• Data 영역: 전역 변수, static 변수
• Heap 영역: 프로그래머가 필요에 의해 동적으로 할당하는 메모리
• Stack 영역: 함수 호출 시 임시로 생성되는 지역 변수, 매개변수, 리턴 주소

이러한 독립적 구조 덕분에 한 프로세스의 오류가 다른 프로세스로 전파되지 않아 안정성이 높다는 장점이 있다. 단 프로세스끼리 데이터를 주고받기 위해서는 메모리를 직접 참조할 수 없고, 운영체제가 제공하는 별도의 IPC(Inter-Process Communication) 기법을 활용해야 한다.

*PCB(Process Control Block)

운영체제는 여러 프로세스를 동시에 스케줄링하고 관리하기 위해 프로세스 생성 시 커널 메모리 영역에 내부 자료구조인 PCB를 함께 만든다.

PCB에는 프로세스의 현재 상태, 고유 식별자(PID), 다음에 실행할 명령어 주소를 가리키는 프로그램 카운터(PC), 레지스터 상태 및 스케줄링 정보 등이 저장된다.

2. 동시성(Concurrency)

하나의 CPU 코어는 특정 순간에 오직 하나의 작업만 처리할 수 있다. 만약 물리적인 코어의 수보다 실행해야 할 프로세스가 더 많다면 프로그램을 실행하지 못할 것이다. 시스템은 동시성을 통해 이 문제를 해결한다.

동시성이란 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이게 만드는 논리적인 처리 방식이다. 이를 위해 운영체제의 스케줄러는 각 프로세스에 아주 짧은 실행 시간을 할당하고, 이 시간이 만료될 때마다 CPU 점유권을 다른 프로세스로 빠르게 넘기는데, 이 과정을 문맥 교환(Context Switching)이라고 한다.

프로세스 단위의 문맥 교환은 다음과 같은 과정으로 이루어진다.

1. 운영체제는 현재 실행 중인 프로세스의 상태(레지스터 값, 프로그램 카운터 등)를 해당 프로세스의 PCB에 저장한다.
2. 스케줄러에 의해 선택된 다음 프로세스의 PCB를 읽어와 CPU에 로드한다.
3. 이전 프로세스가 사용하던 CPU 캐시 메모리를 초기화하고, 새로운 프로세스를 이어서 실행한다.

이 과정이 매우 빠르게 반복되므로 사용자를 여러 프로그램이 동시에 실행되는 것처럼 느끼게 된다. 단, 프로세스 문맥 교환은 레지스터 상태 교체뿐만 아니라 캐시 메모리를 비우는 막대한 시스템 오버헤드를 동반한다는 단점이 있다.

3. 스레드(Thread)

위와 같은 단점을 극복하기 위해 등장한 개념이 스레드이다. 스레드는 프로세스 내부에 생성되는 실행 흐름의 최소 단위를 의미한다.

스레드는 자신이 속한 프로세스의 자원을 최대한 활용하기 위해 Code, Data, Heap 영역을 프로세스 내의 다른 스레드들과 공유한다. 반면, 독립적인 실행 흐름을 보장받기 위해 Stack 영역과 PC(Program Counter) 레지스터만은 각 스레드가 개별적으로 할당받는다.

여러 스레드가 동시에 함수를 호출하더라도 각자의 매개변수, 지역 변수, 리턴 주소를 개별 Stack에 저장함으로써 서로의 데이터가 섞이지 않고 독립적인 함수 실행을 가능하게 한다.

결과적으로 스레드는 메모리를 공유하여 생성 및 문맥 교환 비용을 획기적으로 낮추면서도 동일한 프로세스 안에서 여러 작업을 동시에(독립적으로) 처리할 수 있게 해준다.

다만 스레드는 메모리를 공유하기 때문에 하나의 스레드에서 잘못된 메모리 주소 참조 등의 치명적인 오류가 발생하여 공유 메모리 영역이 훼손될 경우, 해당 프로세스 내에서 실행 중이던 모든 스레드가 함께 강제 종료되는 연쇄 장애가 발생할 수 있다.

또한 여러 스레드가 동시에 Data나 Heap 영역의 공유 자원에 접근하여 값을 변경하려고 할 때, 실행 타이밍에 따라 데이터의 일관성이 깨지는 경쟁 상태가 발생할 수 있다. 따라서 엄격한 동기화 제어 로직이 필수적이다.

4. 병렬성(Parallelism)

병렬성은 물리적으로 여러 개의 CPU 코어가 각각 할당받은 작업을 동일한 시간에 동시에 실행하는 것을 의미한다.

앞서 설명한 동시성이 단일 코어 환경에서 빠른 문맥 교환을 통해 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이게 만드는 논리적 개념이라면, 병렬성은 멀티 코어 환경에서 여러 작업이 각기 다른 코어에서 동시에 처리되는 물리적 개념이다.

현대 운영체제의 스케줄러는 멀티 프로세스나 멀티 스레드 환경에서 생성된 여러 실행 흐름을 시스템 내의 가용한 물리적 코어들에 분산 할당하여 병렬 실행을 구현한다.