프로세스와 스레드, 컨텍스트 스위칭

 

프로세스와 스레드에 대한 정의

▪프로세스: 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위.
▪스레드: 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위.

프로그램이 프로세스가 되려면

먼저 프로세스와 스레드에 대해 본격적으로 설명하기 전에 프로그램에 대해서 설명하고 가야 한다. 프로그램이라는 단어의 정의는 다음과 같다.

프로그램이란, 파일이 저장 장치에 저장되어 있지만 메모리에는 올라가 있지 않은 정적인 상태 를 말한다.

메모리에 올라가 있지 않은: 아직 운영체제가 프로그램에게 독립적인 메모리 공간을 할당해주지 않았다는 뜻이다. 모든 프로그램은 운영체제가 실행되기 위한 메모리 공간을 할당해 줘야 실행될 수 있다.

정적인 상태: 정적(靜的)이라는 단어 그대로, 움직이지 않는 상태라는 뜻이다. 한 마디로 아직 실행되지 않고 가만히 있다는 뜻이다.

결론부터 말하자면 프로그램이라는 단어는 아직 실행되지 않은 파일 그 자체를 가리키는 말이다. 윈도우의 *.exe 파일이나 MacOS의 *.dmg 파일 등등 사용자가 눌러서 실행하기 전의 파일을 말한다. 쉽게 말해서 그냥 코드 덩어리다.

자, 그러면 이제 그 실행 파일(프로그램)에게 의미를 부여하기 위해 프로그램을 실행해 보자. 프로그램을 실행하는 순간 해당 파일은 컴퓨터 메모리에 올라가게 되고, 이 상태를 동적(動的)인 상태라고 하며 이 상태의 프로그램을 프로세스라고 한다. 따라서 위키피디아에서는 프로세스에 대해 정의를 내릴 때 그냥 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램이라고 정의를 내리고 있으며, 스케줄링 단계에서의 "작업"과 같은 단어라고 봐도 무방하다고 하고 있다. 실제로 프로세스라는 단어가 작업 중인 프로그램을 의미하는 단어이기 때문이다.

 

프로세스가 스레드가 되려면

과거에는 프로그램을 실행할 때 실행 시작부터 실행 끝까지 프로세스 하나만을 사용해서 진행했다고 한다. 하지만 시간이 흐를수록 프로그램이 복잡해지고 프로세스 하나만을 사용해서 프로그램을 실행하기는 벅차게 되었다. 실제로 이제는 프로그램 하나가 단순히 한 가지 작업만을 하는 경우는 없다. 그러면 이제 어떻게 해야할까?

쉽게 떠오르는 방법은, "한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 되지 않을까?" 생각이 들지만 이는 불가능한 일이었다. 왜냐하면 운영체제는 안전성을 위해서 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 두고 있고, 이를 벗어나는 정보에 접근하려면 오류가 발생하기 때문이다.

아무튼 프로세스와는 다른 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 되었고, 이 개념이 바로 스레드다.

스레드는 위에서 언급한 프로세스 특성의 한계를 해결하기 위해 만들어진 개념이기 때문에 스레드의 특성은 쉽게 유추해낼 수 있을 것이다. 스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간 메모리를 공유하며 작동한다. 스레드끼리 프로세스의 자원을 공유하면서 프로세스 실행 흐름의 일부가 되는 것이다. 아까 프로그램이 코드 덩어리라고 했는데, 스레드도 코드에 비유하자면 스레드는 코드 내에 선언된 함수들이 되고 따라서 main 함수 또한 일종의 스레드라고 볼 수 있게 되는 것이다.

 

프로세스와 스레드의 작동 방식에 대한 자세한 설명

 

 

이와 다르게 스레드는 메모리를 서로 공유할 수 있다고 언급했었다. 이에 대해 더 자세히 설명하자면, 프로세스가 할당받은 메모리 영역 내에서 Stack 형식으로 할당된 메모리 영역은 따로 할당받고, 나머지 Code/Data/Heap 형식으로 할당된 메모리 영역을 공유한다. 따라서 각각의 스레드는 별도의 스택을 가지고 있지만 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있게 된다.

여기서 프로세스와 스레드의 중요한 차이를 하나 더 알 수 있게 된다. 만약 한 프로세스를 실행하다가 오류가 발생해서 프로세스가 강제로 종료된다면, 다른 프로세스에게 어떤 영향이 있을까? 공유하고 있는 파일을 손상시키는 경우가 아니라면 아무런 영향을 주지 않는다.

그런데 스레드의 경우는 다르다. 스레드는 Code/Data/Heap 메모리 영역의 내용을 공유하기 때문에 어떤 스레드 하나에서 오류가 발생한다면 같은 프로세스 내의 다른 스레드 모두가 강제로 종료된다.

본문에서 언급했듯 스레드를 코드(프로세스) 내에서의 함수(스레드)에 빗대어 표현해보면 이해하기 훨씬 쉬워진다. 코딩을 해 본 경험이 있다면, 코드 내 어떤 함수 하나에서 Segmentation Fault 등의 오류가 발생한 경험이 있을 것이다. 이 오류가 어떤 함수에서 발생했든 간에 해당 코드는 다른 함수 모두에 대한 작업을 중단하고 프로세스 실행을 끝내버린다.

스레드는 본문 맨 위에서 "흐름의 단위"라고 말했는데, 정확히는 CPU 입장에서의 최소 작업 단위가 된다. CPU는 작업을 처리할 때 스레드를 최소 단위로 삼고 작업을 한다. 반면 운영체제는 이렇게 작은 단위까지 직접 작업하지 않기 때문에 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위가 된다. 여기서 중요한 점은 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가진다는 점이다. 따라서 운영체제 관점에서는 프로세스가 최소 작업 단위인데, 이 때문에 같은 프로세스 소속의 스레드끼리 메모리를 공유하지 않을 수 없다.

 

컨텍스트 스위칭

컨텍스트 스위칭이란, 'CPU/코어에서 실행 중이던 프로세스/스레드가 다른 프로세스/스레드로 교체되는 것'입니다.그렇다면, 여기서 말하는 컨텍스트란 무엇일까요? 컨텍스트란 프로세스/스레드의 상태를 의미합니다. 또 이 상태라는 것은 CPU, 메모리에서의 상태를 의미합니다. 

 

컨텍스트 스위칭이 필요한 이유

그렇다면 컨텍스트 스위칭이 왜 필요할까요? 여러 이유들이 있지만, 대표적으로

• 여러 프로세스와 스레드들을 동시에 실행시키기 위해(그렇게 보이기 위해)
• 여러 프로세스와 스레드들이 공정하게 CPU 시간을 나눠 갖기 위해
• 높은 우선순위의 작업이 빠르게 처리될 수 있게

와 같은 이유가 있습니다.

 

컨텍스트 스위칭은 언제 발생하는가?

컨텍스트 스위칭은 

• 주어진 Time Slice(Time Quantum)를 다 사용함
• I/O 작업을 해야 함
• 다른 리소스를 기다려야 함
• 인터럽트(Interrupt)

위의 대표적인 트리거와 더불어 다른 여러 이유로도 발생될 수 있습니다.

 

컨텍스트 스위칭은 누구에 의해 실행되는가?

그렇다면 컨텍스트 스위칭은 누구에 의해서 실행될까요? OS의 커널(Kernel)에 의해서 수행이 되게 됩니다.

커널이란, 운영체제에서도 핵심적인 기능을 담당하는 존재인데요 짧게 설명하면 각종 리소스를 관리/감독하는 역할을 하는 존재라고 생각하시면 되겠습니다.

 

컨텍스트 스위칭 과정

컨텍스트 스위칭이 구체적으로 일어나는 과정은, 다른 프로세스끼리의 스위칭(Process Context Switching)인지 같은 프로세스의 스레드들끼리의 스위칭(Thread Context Switching)인지에 따라 다릅니다. 이 두 가지의 공통점과 차이점을 바탕으로 설명해 보겠습니다.

 

둘의 공통점

1. 커널 모드에서 실행된다

 

두 스위칭은 모두 커널 모드에서 실행됩니다.  

커널 모드라는 말은, 어느 프로세스가 실행되다가 하드웨어와 밀접한 일들 혹은 컴퓨터에 있는 여러 리소스들을 다뤄야 하는 상황이 발생하면 프로세스가 직접 컴퓨터의 리소스에 접근하는 것이 아니라 운영체제를 통해 접근하게 되는데, 특히 운영체제에서도 커널을 통해서 접근하게 됩니다. 이때, 이 프로세스에서 커널로 통제권이 넘어가서 커널에 의해서 실행되는 것을 '커널 모드'라고 합니다.

이 컨텍스트 스위칭은 커널 모드에서 실행되기 때문에 커널로 통제권이 넘어갑니다.

 

2. CPU의 레지스터 상태를 교체

 

두 스위칭은 또한 모두 CPU의 레지스터 상태를 교체합니다.

레지스터에 대해서 간단하게 설명하고 가자면, 레지스터란 CPU에서 각종 명령어들을 수행하기 위해 필요한 여러 데이터들을 저장하는 곳입니다. 많은 레지스터들이 있지만, 대표적으로 PC(Program Counter), Stack Pointer 등이 있습니다.

어떤 프로세스가 CPU에서 실행되고 있을 동안에, 레지스터에 있는 여러 값들이 계속 바뀌면서 실행되고 있었을 겁니다. 이때, 다른 프로세스가 실행되면 실행되고 있던 프로세스의 레지스터 상태들을 어딘가에 저장을 하고 다른 프로세스가 실행되는 것입니다. 그래야, 다시 다른 프로세스가 실행됐을 때 그때의 상태 정보들을 알고 있어야 이어서 실행할 수 있기 때문이겠죠?

 

둘의 차이점

1. 다른 프로세스끼리의 스위칭인 프로세스 컨텍스트 스위칭은 가상 메모리 주소 관련 처리를 추가로 수행함

 

같은 프로세스에 속한 스레드들끼리는 공유하는 메모리 지역이 있습니다. 스레드들끼리는 

• 코드(Code) 영역 : 프로세스가 실행할 코드
• 데이터(Data) 영역 : 전역 변수가 정적 변수들이 저장되는 영역
• 힙(Heap) 영역 : 동적으로 할당된 메모리

의 영역을 공유합니다. 따라서, 스레드들끼리의 컨텍스트 스위칭은 같은 프로세스에 속하기 때문에 스위칭이 일어나도 메모리와 관련해서는 챙겨줘야 할 부분이 없습니다. 하지만, 프로세스간의 컨텍스트 스위칭이 발생했을 때에는 메모리 주소 체계가 다르기 때문에 이 때는 메모리 주소 관련된 처리를 추가로 수행해야 합니다.

 

그렇기 때문에, MMU(Memory Management Unit)와 TLB(Translation Lookaside Buffer)도 관리를 해줘야 합니다.

MMU는 가상 메모리와 물리 메모리 사이의 주소 변환을 담당합니다. 프로세스가 물리 메모리에서 할당되는 위치를 추상화하여 각 프로세스가 독립적인 주소 공간을 가지고 있는 것처럼 만듭니다.

TLB는 MMU 내에 존재하는 캐시 메모리입니다. 가상 주소를 물리 주소로 변환하는 과정을 상대적으로 느릴 수 있기 때문에, 이러한 변환의 결과를 TLB에 저장해 두고 빠르게 사용하는 데에 목적이 있습니다.

 

스레드 간의 스위칭에서는 실행되고 있던 스레드의 상태를 저장하고, 새로 실행될 스레드의 상태를 로딩하는 것으로 해결이 되지만 프로세스간의 스위칭에서는, 위의 작업에 더불어서 MMU가 실행 될 작업의 메모리를 보도록 해야 하고 캐시 역할을 하는 TLB를 완전히 비워줘야 합니다.

 

요약하자면 '다른 프로세스끼리의 스위칭은 주소 체계와 관련된 일들도 추가적으로 처리를 해야 한다'가 되겠고요, 이러한 추가적인 작업이 필요하기 때문에 프로세스 컨텍스트 스위칭보다 스레드 컨텍스트 스위칭이 더 빠릅니다.

 

컨텍스트 전환 비용

컨텍스트 스위칭은 일반적으로 계산 집약적입니다. 즉, 상당한 프로세서 시간이 필요하며, 이는 초당 수십 또는 수백 개의 스위치 각각에 대해 나노초 순서가 될 수 있습니다. 따라서 컨텍스트 스위칭은 CPU 시간 측면에서 시스템에 상당한 비용을 나타내며 실제로 운영 체제에서 가장 비용이 많이 드는 작업이 될 수 있습니다.

 

결과적으로 운영 체제 설계의 주요 초점은 가능한 한 불필요한 컨텍스트 전환을 피하는 것이었습니다. 그러나 실제로 이를 달성하기는 쉽지 않았습니다. 사실, 컨텍스트 전환 비용은 소비되는 CPU 시간의 절대량으로 측정했을 때 감소하고 있지만, 이는 컨텍스트 전환 자체의 효율성 개선보다는 주로 CPU 클럭 속도의 증가 때문인 것으로 보입니다.

 

다른 유닉스 계열 시스템을 포함한 다른 운영체제에 비해 리눅스가 주장하는 많은 장점 중 하나는 컨텍스트 전환 및 모드 전환 비용이 매우 낮다는 것입니다.

 

 

 

참고:
s7won.tistory.com
web.archive.org
fastcampus.co.kr