컴퓨터공학

프로세스와 스레드의 차이: 개념과 실행 방식

nyambu 2025. 3. 5. 16:00

프로세스
프로세스(PROCESS)

1. 프로세스와 스레드란? 기본 개념 이해

컴퓨터에서 프로그램을 실행하면 **프로세스(Process)**가 생성된다.
프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미하며, 내부에서 여러 개의 **스레드(Thread)**를 가질 수 있다.

  • 프로세스(Process): 실행 중인 하나의 독립적인 프로그램
  • 스레드(Thread): 프로세스 내에서 실행되는 작업의 단위

1-1. 프로세스(Process)의 특징

  • 운영체제가 할당하는 독립적인 작업 단위
  • 각각의 프로세스는 별도의 메모리 공간을 가짐
  • 다른 프로세스와 독립적으로 실행됨

1-2. 스레드(Thread)의 특징

  • 프로세스 내부에서 실행되는 작은 실행 단위
  • 같은 프로세스 내에서는 메모리를 공유함
  • 멀티스레딩을 사용하면 동시에 여러 작업을 처리할 수 있음

2. 프로세스와 스레드의 차이점

비교 항목 프로세스 (Process) 스레드 (Thread)
정의 실행 중인 프로그램 프로세스 내에서 실행되는 작업 단위
메모리 공유 여부 각각 독립적인 메모리 사용 같은 프로세스 내에서 메모리 공유
통신 방식 프로세스 간 통신(IPC) 필요 같은 메모리 공간을 사용하므로 별도 통신 불필요
속도 메모리 복사 비용이 있어 상대적으로 느림 공유 메모리를 사용하여 상대적으로 빠름
안정성 한 프로세스가 종료되더라도 다른 프로세스에 영향 없음 하나의 스레드가 문제가 발생하면 같은 프로세스의 모든 스레드에 영향

3. 프로세스와 스레드의 실행 방식

3-1. 프로세스 실행 과정

프로세스는 프로그램이 실행되면서 생성되며, 운영체제는 이를 효과적으로 관리한다. 프로세스가 실행되는 과정은 다음과 같다.

 

① 프로그램 실행 요청

  • 사용자가 실행 파일(예: chrome.exe)을 클릭하면, 운영체제는 프로그램을 실행할 준비를 한다.
  • 명령줄(Command Line)에서 실행할 수도 있으며, 운영체제가 이를 감지하고 프로세스를 생성한다.

② 운영체제가 새로운 프로세스를 생성

  • 운영체제는 새로운 프로세스를 생성(Create Process)하는 단계로 이동한다.
  • 이 과정에서 프로세스 제어 블록(PCB, Process Control Block)이 생성되어 해당 프로세스의 정보가 저장된다.
  • PCB에는 프로세스의 상태, 메모리 주소, CPU 할당 정보, 입출력 장치 정보 등이 포함된다.

③ 프로세스에 독립적인 메모리 공간 할당

  • 운영체제는 새로운 프로세스를 위해 고유한 메모리 공간을 할당한다.
  • 프로세스가 생성되면, 다음과 같은 메모리 구조를 가지게 된다.
    • 코드(Code) 영역: 실행할 프로그램의 명령어가 저장됨
    • 데이터(Data) 영역: 전역 변수 및 상수가 저장됨
    • 힙(Heap) 영역: 실행 중 동적으로 할당되는 메모리 공간
    • 스택(Stack) 영역: 함수 호출 시 지역 변수 및 반환 주소가 저장됨
  • 🔹 프로세스의 메모리 구조

④ CPU가 프로세스를 실행

  • 운영체제는 CPU 스케줄링을 통해 **실행 준비가 완료된 프로세스(Runnable State)**를 CPU에 할당하여 실행한다.
  • 만약 프로세스가 I/O 작업(예: 파일 읽기, 네트워크 요청 등)을 수행해야 한다면, **대기 상태(Waiting State)**로 전환된다.
  • 프로세스가 실행을 마치면 종료(Terminate State) 상태로 변환되며, 운영체제는 해당 프로세스의 메모리를 해제한다.

예시: 웹 브라우저 실행 과정

Google Chrome 또는 Mozilla Firefox를 실행하면 각각의 창(프로세스)이 독립적으로 실행된다.

  • 사용자가 크롬 아이콘을 클릭하면, chrome.exe 프로세스가 생성된다.
  • 운영체제는 각각의 브라우저 창을 별도의 프로세스로 실행하여, 하나의 창이 충돌하더라도 다른 창이 영향을 받지 않도록 한다.

3-2. 스레드 실행 과정

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 작은 실행 단위이며, 같은 프로세스 내의 다른 스레드들과 메모리를 공유한다.
스레드는 다음과 같은 과정으로 실행된다.

① 프로세스 내부에서 새로운 스레드 생성

  • 프로그램이 실행되면, 기본적으로 **메인 스레드(Main Thread)**가 생성된다.
  • 멀티스레딩이 필요한 경우, 프로그램 내에서 추가적인 스레드가 동적으로 생성된다.
  • 예를 들어, 웹 브라우저는 각 탭을 별도의 스레드로 실행하여, 한 탭이 느려지더라도 다른 탭에는 영향을 주지 않도록 한다.

② 같은 프로세스 내에서 메모리 공유

  • 스레드는 같은 프로세스 내에서 실행되므로, 코드(Code), 데이터(Data), 힙(Heap) 영역을 공유한다.
  • 다만, 각 스레드는 독립적인 스택(Stack) 영역을 가진다.
  • 이를 통해 프로세스보다 적은 메모리를 사용하면서도 효율적으로 여러 작업을 동시에 실행할 수 있다.

③ 여러 개의 스레드가 병렬로 실행

  • 멀티스레드 환경에서는 여러 개의 스레드가 동시에 실행되며, 운영체제는 이를 관리한다.
  • 스레드 스케줄링(Thread Scheduling)을 통해 CPU는 적절한 시간 동안 각 스레드에 실행 시간을 할당한다.
  • 멀티코어 CPU 환경에서는 각 코어(Core)가 서로 다른 스레드를 동시에 실행할 수 있어 성능이 향상됨.

예시: 웹 브라우저의 멀티스레딩

웹 브라우저(예: Chrome, Edge, Firefox)는 멀티스레딩을 적극적으로 활용한다.

  • 사용자가 여러 개의 탭을 열면, 각 탭은 동일한 프로세스 내에서 여러 개의 스레드로 실행된다.
  • 메모리를 공유하면서도, 각 스레드가 독립적으로 웹 페이지를 로드하기 때문에 사용자가 원활하게 웹을 탐색할 수 있다.
  • 예를 들어, 한 탭에서 유튜브 영상을 실행하는 동안, 다른 탭에서 뉴스 기사를 읽을 수 있다.

3-3. 프로세스와 스레드 실행 방식 비교

실행 과정 프로세스 스레드
생성 운영체제가 새로운 프로세스를 생성 프로세스 내부에서 새로운 스레드가 생성됨
메모리 구조 독립적인 메모리 공간을 가짐 같은 프로세스 내에서 메모리를 공유
실행 방식 CPU가 프로세스를 실행하며, 프로세스 간 통신(IPC) 필요 같은 프로세스 내의 스레드가 병렬로 실행됨
속도 프로세스 간의 데이터 교환 속도가 느림 메모리 공유로 인해 속도가 빠름
예시 각 웹 브라우저 창(Chrome, Firefox) 웹 브라우저의 여러 개의 탭

4. 멀티프로세스와 멀티스레드의 차이

비교 항목 멀티프로세스 (Multi-Process) 멀티스레드 (Multi-Thread)
정의 여러 개의 프로세스를 생성하여 작업 수행 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드 실행
메모리 공유 각 프로세스는 독립적인 메모리를 사용 스레드 간 메모리 공유
성능 병렬 처리 가능하지만 메모리 사용량이 많음 빠른 실행 속도를 제공하지만 충돌 위험 존재

 

예시

  • 멀티프로세스: 웹 브라우저에서 각각의 탭을 독립적인 프로세스로 실행
  • 멀티스레드: 게임에서 그래픽 렌더링, 사용자 입력 처리를 여러 스레드로 처리

5. 프로세스와 스레드의 장점과 단점

5-1. 프로세스의 장점

  • 각 프로세스는 독립적으로 실행되므로 하나가 오류가 발생해도 다른 프로세스에 영향 없음
  • 보안성이 뛰어나며, 서로 간섭할 가능성이 낮음

5-2. 프로세스의 단점

  • 새로운 프로세스를 생성하는 비용이 높음
  • 프로세스 간 데이터 공유가 어렵고, 별도의 통신(IPC)이 필요함

5-3. 스레드의 장점

  • 프로세스보다 빠르게 생성되고 실행됨
  • 같은 프로세스 내에서 자원을 공유하므로 효율적

5-4. 스레드의 단점

  • 하나의 스레드에서 오류가 발생하면 같은 프로세스 내의 모든 스레드가 영향을 받을 수 있음
  • 동기화 문제가 발생할 가능성이 있음

6. 프로세스와 스레드의 활용 사례

6-1. 프로세스가 필요한 경우

  • 독립적인 실행 환경이 필요할 때
  • 여러 개의 작업을 병렬로 처리할 때

예시

  • 크롬 브라우저의 각 탭이 독립적인 프로세스로 실행됨
  • 백그라운드에서 실행되는 OS 서비스(예: 백신 프로그램)

6-2. 스레드가 필요한 경우

  • 빠른 실행이 필요할 때
  • 데이터 공유가 필요한 경우

예시

  • 게임에서 그래픽 렌더링, 물리 엔진, 사운드 처리를 여러 스레드로 실행
  • 영상 편집 프로그램에서 실시간 미리보기와 파일 변환을 동시에 수행

7. 프로세스와 스레드의 미래 발전 방향

7-1. 멀티코어 환경에서의 활용 증가

  • 최근 컴퓨터는 멀티코어 CPU를 탑재하고 있어, 멀티스레드 프로그래밍이 더욱 중요해짐
  • 프로세서의 연산 성능을 극대화하려면 스레드를 효율적으로 활용해야 함

7-2. 가상화 및 컨테이너 기술과 결합

  • 도커(Docker)와 같은 컨테이너 기술이 발전하면서, 여러 개의 프로세스를 효율적으로 관리할 수 있는 환경이 제공됨

7-3. 병렬 컴퓨팅과 AI 연산

  • AI 모델 학습이나 데이터 분석에서 병렬 처리를 위해 멀티스레드 기법이 적극적으로 사용됨

용어 정리

  • 프로세스(Process): 실행 중인 프로그램
  • 스레드(Thread): 프로세스 내에서 실행되는 작은 작업 단위
  • 멀티스레드(Multi-Threading): 하나의 프로세스에서 여러 개의 작업을 병렬로 수행하는 방식
  • IPC(Inter-Process Communication): 프로세스 간 데이터 교환을 위한 통신 방법