프로세스, 스레드

멀티스레드 프로그래밍을 이해하려면 먼저 프로그램, 프로세스, 스레드, 코어가 각각 무엇인지, 그리고 이들이 어떻게 맞물려 돌아가는지를 정확히 알아야 합니다.

 

 

1. 핵심 개념 정리

 

개념	설명
프로그램$^{\text{Program}}$	저장장치에 있는 실행 가능한 파일 또는 명령들의 묶음. 아직 실행되지 않은 정적인 상태.
프로세스$^{\text{Process}}$	프로그램을 실행하면 메모리에 올라가 실제로 실행 중인 인스턴스가 된 상태. 하나의 프로그램을 여러 번 실행하면 각각 독립된 프로세스가 생성된다.
스레드$^{\text{Thread}}$	프로세스 안에서 실제로 CPU를 타고 도는 실행 흐름의 단위. 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가진다.
코어$^{\text{Core}}$	CPU 안에 있는 연산 장치. 코어가 여러 개면 진정한 병렬 실행이 가능하다.

 

 

2. 스레드의 메모리 구조

같은 프로세스 안의 스레드들은 메모리의 일부를 공유하고, 일부는 독립적으로 가집니다.

 

영역	공유 여부	내용
코드$^{\text{Code}}$ 영역	스레드 간 공유	실행할 기계어 명령어
데이터$^{\text{Data}}$ 영역	스레드 간 공유	전역 변수, 정적 변수
힙$^{\text{Heap}}$ 영역	스레드 간 공유	동적 할당 메모리
스택$^{\text{Stack}}$ 영역	스레드마다 독립	지역 변수, 함수 호출 정보

 

공유 영역 덕분에 스레드 간 협업이 빠르지만, 동기화를 잘못하면 여러 스레드가 동시에 같은 데이터를 수정하는 문제가 발생합니다. 힙과 데이터 영역에 접근할 때 특히 주의가 필요합니다.

 

 

3. CPU 스케줄링과 동시성

코어가 하나뿐인 CPU는 한 순간에 하나의 스레드만 실행할 수 있습니다. 그렇다면 어떻게 여러 작업이 동시에 돌아가는 것처럼 보일까요?

 

운영체제의 스케줄러$^{\text{Scheduler}}$가 매우 짧은 시간마다 실행할 스레드를 바꿔끼웁니다. 이 전환이 너무 빠르기 때문에 사용자 눈에는 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보입니다. 이를 동시성$^{\text{Concurrency}}$이라고 합니다.

 

📌 동시성 vs 병렬성
동시성$^{\text{Concurrency}}$: 코어가 하나여도 스레드를 빠르게 교체하여 동시에 실행되는 것처럼 보이는 것
병렬성$^{\text{Parallelism}}$: 코어가 여러 개여서 실제로 여러 스레드가 동시에 실행되는 것

 

 

4. 컨텍스트 스위칭

스케줄러가 실행 스레드를 바꿀 때 일어나는 작업이 컨텍스트 스위칭$^{\text{Context Switching}}$입니다.

 

1. 현재 스레드 $($A$)$의 상태를 저장 — 레지스터 값, 프로그램 카운터$^{\text{PC}}$ $($어디까지 실행했는지$)$, 스택 포인터 등
2. 다음 스레드 $($B$)$의 저장된 상태를 복원
3. CPU가 B를 이어서 실행

 

이 과정 자체에도 비용이 발생합니다. 전환이 너무 잦으면 실제 작업보다 상태 저장/복원에 더 많은 시간을 쓰게 되고, CPU 캐시가 무효화$^{\text{Cache Miss}}$되어 성능이 오히려 떨어질 수 있습니다.

 

 

5. 멀티프로세스 vs 멀티스레드

여러 작업을 동시에 처리하는 방법에는 두 가지가 있습니다.

 

항목	멀티프로세스$^{\text{Multi-Process}}$	멀티스레드$^{\text{Multi-Thread}}$
메모리 구조	프로세스마다 독립된 메모리 공간	힙/데이터/코드 영역 공유
통신 방법	IPC$^{\text{Inter-Process Communication}}$ 필요 $($느림$)$	공유 메모리로 직접 접근 $($빠름$)$
안정성	한 프로세스 죽어도 다른 프로세스에 영향 없음	한 스레드 오작동이 전체 프로세스에 영향
컨텍스트 스위칭 비용	큼 $($메모리 공간 자체를 교체$)$	작음 $($스택만 교체$)$
동기화 필요성	낮음	높음 $($Race Condition 주의$)$

 

💡 게임 서버 관점: 게임 서버는 수많은 클라이언트를 동시에 처리해야 하므로 일반적으로 멀티스레드를 활용합니다. 공유 메모리로 빠른 데이터 접근이 가능하지만, 그만큼 Race Condition$^{\text{경쟁 조건}}$과 Deadlock$^{\text{교착 상태}}$에 주의한 동기화 설계가 필요합니다.