Thread

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위이자, CPU 스케줄링의 기본 단위다.

• 과거의 운영체제에서는 프로세스 하나가 하나의 실행 흐름을 가짐
• 현대 운영체제에서는 하나의 프로세스가 여러 개의 스레드를 가져 멀티스레딩(Multithreading) 지원

스레드의 메모리 구조

스레드의 가장 큰 특징은 프로세스 내의 자원을 공유하여 효율적인 자원 관리와 데이터 통신을 가능하게 하지만, 동기화 문제를 유발하는 원인이 되기도 한다.

자원 공유 방식

• 공유 영역: Code, Data, Heap 영역은 프로세스 내 모든 스레드가 공유
  • 파일 디스크립터(열린 파일 목록)나 전역 변수 등을 손쉽게 공유 가능
• 독립 영역: Stack, PC(Program Counter), 레지스터(Register)는 스레드마다 독립적으로 할당
  • 각 스레드가 독립적인 함수 호출과 실행 흐름을 가지기 위함

graph TB
    subgraph Process [프로세스 메모리 공간]
        direction TB
        subgraph Shared [공유 자원]
            Code[Code 영역]
            Data[Data 영역]
            Heap[Heap 영역]
        end

        subgraph Threads [스레드 실행 흐름]
            direction LR
            subgraph T1 [스레드 A]
                Stack1[Stack]
                Reg1[PC / Register]
            end
            subgraph T2 [스레드 B]
                Stack2[Stack]
                Reg2[PC / Register]
            end
            subgraph T3 [스레드 C]
                Stack3[Stack]
                Reg3[PC / Register]
            end
        end
    end

프로세스 vs 스레드

프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 단위이고, 스레드는 할당된 자원을 사용하는 실행의 단위다.

구분	프로세스(Process)	스레드(Thread)
정의	실행 중인 프로그램(자원 할당의 단위)	프로세스 안의 실행 흐름(스케줄링의 단위)
메모리	독립된 메모리 영역(Code, Data, Heap, Stack)	Stack만 독립, 나머지는 프로세스 내 공유
통신 비용	높음(IPC 필요: 파이프, 소켓 등)	낮음(공유 메모리(Data, Heap) 직접 접근)
문맥 교환	오버헤드 큼(캐시 초기화 등 비용 높음)	오버헤드 작음(메모리 공유로 캐시 적중률 높음)
안정성	한 프로세스 종료가 다른 프로세스에 영향 없음	한 스레드의 오류가 프로세스 전체를 종료시킬 수 있음

멀티 프로세스 vs 멀티 스레드

• 멀티 프로세스: 하나의 프로그램을 여러 프로세스로 구성하여 독립적으로 작업 수행
  • 장점: 독립된 메모리 구조로 인해 하나의 프로세스 장애가 다른 프로세스로 전이되지 않아 안정성이 높음
  • 단점: 문맥 교환 시 캐시 초기화 등 무거운 작업이 필요하며, 프로세스 간 통신(IPC) 비용 발생
• 멀티 스레드: 하나의 프로그램을 여러 스레드로 구성하여 자원을 공유하며 작업 수행
  • 장점: 힙 영역 등을 통해 데이터를 직접 공유하므로 통신이 간단하고 문맥 교환 오버헤드가 적음
  • 단점: 자원 공유로 인한 데이터 정합성 문제(Thread Safety)가 발생할 수 있으며, 한 스레드의 오류가 전체 프로세스에 영향을 줄 수 있음

스레드 안전 (Thread Safety)

여러 스레드가 동시에 공유 자원에 접근할 때 프로그램의 실행에 문제가 없는 상태를 의미한다.

• 동기화 메커니즘: 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore) 등을 사용하여 임계 구역에 대한 접근 제어
• 원자성 보장: 중단되지 않는 최소 작업 단위를 보장하여 데이터 정합성 유지

참고자료

• 혼자 공부하는 컴퓨터 구조+운영체제