2015. 1. 26.

[OS]메모리 관점에서 본 쓰레드(thread)

 메모리 관점에서 본 프로세스를 이해하고 있다면 슬쩍 읽기만 해도 느낌이 딱 온다.


메모리 관점에서 본 process의 특징

 각각의 프로세스는 메모리 공간에서 독립적으로 존재한다.

<출처:https://elgaabeb.wordpress.com/>


 전에 본 적이 있는 그림이다. 이 그림은 프로세스를 구성하는 메모리 공간의 모습이다. 각각의 프로세스는 자신만의 이런 메모리 구조를 가진다. 프로세스A, B, C가 존재한다면 각각 프로세스는 모두 위와 같은 구조의 메모리 공간을 가진다.

 독립적인만큼 다른 프로세스의 메모리 공간에 접근할 수도 없다. A가 B의 메모리 공간에 접근하면 재앙이 발생할 수도 있다. 만약 A가 뜬끔없이 Chrome의 메모리 공간에 접근한다고 생각해보라. Chrome의 안정성이 보장될 수 있겠는가? 더 뜬금없이 A가 windows의 메모리 공간에 접근한다고 생각해보라. 운영체제의 메모리 공간에 접근하여 뭔가를 변경한다면 심각한 문제가 발생할 수 있다.(물론 운영체제의 메모리 공간에 접근하는 것은 원천적으로 불가능하다) 그러므로 프로세스의 안정성을 보장하기 위해서는 프로세스는 각각 독립된 메모리 공간을 가져야 한다.

 그러면 혹시 A에서 연산한 결과를 B에서 받아서 사용하고 싶다면 어떻게 해야할까?


IPC(inter process communication)


<출처: http://madhusudhanrc.blogspot.kr/2012/08/inter-process-communicationipc.html>


 A의 메모리 공간에 B가 직접 접근하지 못하기 때문에 프로세스간의 통신을 하는 특별한 방법들이 존재한다. 메일슬롯(mailslot), 파이프(pipe) 등이 바로 프로세스 간의 통신 즉, IPC의 예들이다.

 IPC에 대한 자세한 설명은 생략~

 중요한 점은 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 지니기 때문에 IPC를 통하지 않고는 통신할 수 없다는 사실이다. 그리고 프로세스가 여럿이 병렬적으로 실행되기 위해서는 필연적으로 컨텍스트 스위칭이 발생할 수 밖에 없다.


프로세스가 지니는 제한

 독립적인 메모리 공간으로 컨텍스트 스위칭이 발생한다.
 통신하기 위해서는 IPC가 필요하다.

 이 두 가지 문제점을 한 번에 해결할 수 있는 녀석이 쓰레드이다.


쓰레드

  쓰레드(thread)는 하나의 프로그램 내에 존재하는 여러 개의 실행 흐름을 위한 모델이다. 우리가 생각하는 프로그램이 실행되기 위해서 하나의 실행흐름으로 처리할 수도 있지만 다수의 실행흐롬으로 처리할 수도 있다.(multi-thread)

 다시 말해서 프로세스에 존재하는, 프로세스가 실행되는 흐름이다.


<출처: http://en.wikipedia.org/wiki/Thread_(computing)>


 wikipedia를 보면 쓰레드를 설명하기 위해 위와 같은 그림들을 보여준다. 아래 그림을 보면 프로세스 내부에 2개의 쓰레드가 존재한다. 그리고 시간의 방향을 따라 쓰레드가 실행되고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 쓰레드는 프로세스와 별개가 아닌 프로세스를 구성하고 실행하는 흐름이다.

 프로세스에서도 그러했듯이 이번에도 메모리 관점에서 쓰레드를 보자. 프로세스와 어떤 차이가 있는지 뚜렷하게 알 수 있을 것이다.


메모리 공간에서의 쓰레드

<출처: http://www-01.ibm.com/support/knowledgecenter/SSLTBW_1.12.0/com.ibm.zos.r12.euvmo00/euva3a00451.htm>

 위 그림은 프로세스와 쓰레드의 메모리 구조의 차이점을 보여준다. 왼쪽의 프로세스는 이미 봤기 때문에 설명하지 않고, 오른쪽의 thread에 주목하자. 앞서 말한 것처럼 쓰레드는 프로세스 안에 존재하는 실행흐름이다. 메모리 구조 역시 그러하다. 하지만 특이한 점은 쓰레드는 프로세스의 heap, static, code 영역 등을 공유한다는 사실이다. 각각의 프로세스가 독립적인 stack, heap, code, data 영역을 가진 반면에, 한 프로세스에 속한 쓰레드는 stack 영역을 제외한 메모리 영역은 공유한다. 

 쓰레드가 code 영역을 하기 때문에 한 프로세스 내부의 쓰레드들은 프로세스 가 가지고 있는 함수를 자연스럽게 모두 호출할 수 있다.

 뿐만 아니라 쓰레드는 data, heap 영역을 공유하기 때문에 IPC 없이도 쓰레드 간의 통신이 가능하다. 동일한 프로세스 내부에 존재하는 쓰레드 A, B가 통신하기 위해 heap 영역에 메모리 공간을 할당하고, 두 쓰레드가 자유롭게 접근한다고 생각하면 된다.

 쓰레드는 프로세스처럼 스케줄링의 대상이다. 이 과정에서 컨텍스트 스위칭이 발생한다. 하지만 쓰레드는 공유하고 있는 메모리 영역 덕분에 컨텍스트 스위칭 때문에 발생하는 오버헤드(overhead)가 프로세스에 비해 작다. 

댓글 5개:

  1. 오 정말 깔끔한 설명!

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  2. 메모리 구조란 차원에서 보니 정말 이해가 잘 되네요. 좋은 글 감사합니다.

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  3. 예전에 봤던 기억들이 새록거리면서 정리가 됩니다. :-)

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  4. 스레드와 관련된 내용을 정리하고 있었는데 덕분에 많이 이해할수 있었습니다. 혹시 메모리 공간에서의 쓰레드 관련 이미지를 출처를 밝히고 제가 공부하는데 써도 될까요?

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