프로세스와 스레드: 공유 자원과 단독 자원의 차이

프로세스와 스레드의 공유 자원과 단독 자원의 차이

멀티스레딩은 현대 컴퓨터 시스템에서 효율적인 작업 처리를 위해 필수적인 개념입니다.

하지만 스레드가 프로세스 내에서 어떤 자원을 공유하고, 어떤 자원을 독립적으로 사용하는지 명확히 이해하는 것이 중요합니다.

이번 포스팅에서는 프로세스와 스레드의 공유 자원과 단독 자원에 대해 알아보겠습니다.

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1. 프로세스와 스레드란?

• 프로세스
  프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스로, 독립적인 메모리 공간(코드, 데이터, 힙, 스택)을 할당받아 실행됩니다. 운영체제는 각 프로세스를 독립적으로 관리하며, 하나의 프로세스는 여러 스레드를 포함할 수 있습니다.
• 스레드
  스레드는 프로세스 내에서 실행 흐름을 담당하는 가장 작은 단위입니다. 동일한 프로세스 내의 스레드는 메모리와 자원을 공유하면서도 독립적인 실행 흐름을 유지합니다.

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2. 공유 자원과 단독 자원의 개념

공유 자원 (Shared Resources)

공유 자원은 동일한 프로세스 내의 모든 스레드가 함께 사용하는 자원입니다.

• 예시
  • 코드 영역: 실행할 프로그램의 명령어가 저장된 영역.
  • 데이터 영역: 전역 변수와 정적 변수가 저장된 영역.
  • 힙 영역: 동적으로 할당된 메모리가 저장된 영역.
  • 파일 디스크립터: 파일이나 소켓 등 외부 리소스를 참조하는 핸들.
• 역할
  • 메모리 사용 효율성을 높이고, 여러 스레드가 협력하여 작업을 수행할 수 있도록 합니다.
  • 예를 들어, 여러 스레드가 동일한 데이터를 처리하거나 수정할 때 공유 메모리를 활용합니다.
• 문제점
  • 공유 자원을 사용할 때 동기화 문제가 발생할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 뮤텍스(Mutex), 세마포어(Semaphore) 같은 동기화 도구를 사용합니다.

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단독 자원 (Thread-specific Resources)

단독 자원은 각 스레드가 독립적으로 보유하고 사용하는 자원으로, 다른 스레드와 공유되지 않습니다.

• 예시
  • 스택 영역: 함수 호출 시 생성되는 지역 변수 및 복귀 주소를 저장하는 공간.
  • CPU 레지스터: 연산 중간 결과나 명령어 실행 상태를 저장하며, 특정 시점에 실행 중인 스레드만 사용.
  • 프로그램 카운터 (Program Counter): 현재 실행 중인 명령어의 주소를 가리킴.
  • Thread Local Storage (TLS): 특정 스레드만 접근 가능한 데이터 저장소.
• 역할
  • 각 스레드는 자신만의 실행 흐름과 상태를 유지하기 위해 단독 자원을 사용합니다.
  • 예를 들어, 함수 호출 시 생성되는 지역 변수는 다른 스레드와 격리되어야 하므로 각 스레드는 고유한 스택을 가집니다.
• 문제점
  • 단독 자원은 독립적이지만, 문맥 전환(Context Switching) 시 운영체제가 레지스터 값을 저장하고 복원해야 하므로 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

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3. CPU 레지스터와 문맥 전환

CPU 레지스터는 대표적인 스레드의 단독 자원입니다. 이는 계산 중간 결과나 명령어 실행 상태를 저장하며, 특정 시점에 실행 중인 스레드만 독점적으로 사용합니다.

문맥 전환 과정

1. 현재 실행 중인 스레드의 CPU 레지스터 값을 저장(메모리 또는 프로세스 제어 블록).
2. 다음 실행할 스레드의 이전 레지스터 값을 복원.
3. 새로운 스레드를 실행.

이 과정을 통해 각 스레드는 자신만의 상태를 유지하며 독립적으로 작업을 수행합니다.

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4. 공유 자원 vs 단독 자원의 비교

구분	공유 자원	단독 자원
사용 대상	프로세스 내 모든 스레드	특정 스레드
예시	코드 영역, 데이터 영역, 힙, 파일 디스크립터	스택, CPU 레지스터, 프로그램 카운터
역할	효율적 메모리 사용 및 협력 지원	독립적 실행 흐름 유지 및 안정성 제공
문제점	동기화 문제 발생 가능	문맥 전환으로 인한 오버헤드

 

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5. 결론

멀티스레딩 환경에서 공유 자원과 단독 자원의 개념은 매우 중요합니다.
공유 자원은 효율적인 메모리 사용과 협력을 가능하게 하지만 동기화 문제를 유발할 수 있고, 단독 자원은 독립성을 보장하지만 문맥 전환 시 오버헤드를 발생시킬 수 있습니다.

이 두 가지 특성을 이해하고 적절히 관리하면 멀티스레딩 환경에서 더 안정적이고 효율적인 시스템을 설계할 수 있습니다.