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프로세스와 스레드의 차이점과 컨텍스트 스위칭

2025년 7월 08일8 min read

프로세스와 스레드의 차이점과 컨텍스트 스위칭

프로세스(Process)와 스레드(Thread) 개념

프로세스(Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스로, 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받아 독립적으로 실행되는 작업 단위입니다.

주요 특징:

  • 독립된 메모리 공간 소유 (Code, Data, Heap, Stack)
  • 다른 프로세스와 완전히 격리됨
  • 프로세스 간 통신을 위해서는 IPC(Inter-Process Communication) 필요
  • 생성과 종료에 많은 오버헤드 발생

스레드(Thread)

스레드는 프로세스 내에서 실행되는 실행 흐름의 단위로, 프로세스의 자원을 공유하면서 독립적으로 실행됩니다.

주요 특징:

  • 같은 프로세스 내의 스레드들은 메모리 공간 공유 (Code, Data, Heap 영역)
  • 각 스레드는 독립적인 Stack과 PC(Program Counter) 보유
  • 스레드 간 데이터 공유가 쉬움
  • 생성과 전환에 상대적으로 적은 오버헤드

메모리 구조 비교

프로세스 메모리 구조

프로세스 A          프로세스 B
┌──────────┐       ┌──────────┐
│   Stack  │       │   Stack  │
├──────────┤       ├──────────┤
│   Heap   │       │   Heap   │
├──────────┤       ├──────────┤
│   Data   │       │   Data   │
├──────────┤       ├──────────┤
│   Code   │       │   Code   │
└──────────┘       └──────────┘
   독립적            독립적

스레드 메모리 구조

       하나의 프로세스
┌─────────────────────────────┐
│  Thread1   Thread2  Thread3 │
│  Stack     Stack    Stack   │
├─────────────────────────────┤
│        공유 Heap            │
├─────────────────────────────┤
│        공유 Data            │
├─────────────────────────────┤
│        공유 Code            │
└─────────────────────────────┘

컨텍스트 스위칭(Context Switching)

컨텍스트 스위칭은 CPU가 한 작업에서 다른 작업으로 전환할 때 발생하는 과정입니다.

프로세스 컨텍스트 스위칭

과정:

  1. 현재 실행 중인 프로세스의 상태를 PCB(Process Control Block)에 저장
  2. 새로 실행할 프로세스의 PCB에서 상태 정보를 로드
  3. 메모리 맵, 페이지 테이블 전환
  4. 캐시 플러시 (Cache Flush) 발생

저장되는 정보:

  • CPU 레지스터 값들
  • 프로그램 카운터(PC)
  • 스택 포인터
  • 메모리 관리 정보 (페이지 테이블 등)
  • 프로세스 상태 정보

오버헤드가 큰 이유:

  • 메모리 맵 전환으로 인한 TLB(Translation Lookaside Buffer) 플러시
  • CPU 캐시 무효화
  • 페이지 테이블 전환

스레드 컨텍스트 스위칭

과정:

  1. 현재 스레드의 레지스터 상태를 TCB(Thread Control Block)에 저장
  2. 새로운 스레드의 레지스터 상태를 로드
  3. 스택 포인터 전환

저장되는 정보:

  • CPU 레지스터 값들
  • 프로그램 카운터(PC)
  • 스택 포인터
  • 스레드별 로컬 데이터

오버헤드가 적은 이유:

  • 메모리 맵 전환 불필요 (같은 프로세스 내)
  • 캐시 플러시가 발생하지 않음
  • 페이지 테이블 공유

성능과 오버헤드 비교

생성/종료 비용

  • 프로세스: 높음 (메모리 할당, 페이지 테이블 생성 등)
  • 스레드: 낮음 (스택 영역만 추가 할당)

컨텍스트 스위칭 비용

  • 프로세스: 높음 (수십 마이크로초)
  • 스레드: 낮음 (수 마이크로초)

메모리 사용량

  • 프로세스: 높음 (독립적인 메모리 공간)
  • 스레드: 낮음 (메모리 공간 공유)

동기화와 통신

프로세스 간 통신 (IPC)

프로세스는 독립적인 메모리 공간으로 인해 특별한 통신 방법이 필요합니다.

IPC 방법들:

  • 파이프(Pipe): 부모-자식 프로세스 간 통신
  • 공유 메모리(Shared Memory): 메모리 영역을 공유하여 통신
  • 메시지 큐(Message Queue): 메시지 기반 통신
  • 소켓(Socket): 네트워크를 통한 통신

스레드 간 통신

스레드는 메모리를 공유하므로 통신이 간단하지만, 동기화 문제가 발생할 수 있습니다.

동기화 방법들:

  • 뮤텍스(Mutex): 상호 배제를 위한 락
  • 세마포어(Semaphore): 리소스 접근 제한
  • 조건 변수(Condition Variable): 특정 조건 대기
  • 스핀락(Spinlock): 바쁜 대기 방식의 락

언제 무엇을 사용할까?

프로세스를 사용하는 경우

  • 안정성이 중요한 경우: 한 프로세스 오류가 다른 프로세스에 영향을 주지 않음
  • 보안이 중요한 경우: 프로세스 간 완전한 격리
  • 독립적인 작업: 서로 다른 애플리케이션 실행
  • 예시: 웹 브라우저 탭, 멀티프로세싱 웹 서버

스레드를 사용하는 경우

  • 성능이 중요한 경우: 빠른 생성/전환, 적은 메모리 사용
  • 데이터 공유가 필요한 경우: 같은 데이터를 여러 작업에서 처리
  • 응답성이 중요한 경우: UI 프로그램에서 백그라운드 작업
  • 예시: 웹 서버의 요청 처리, 게임의 렌더링과 로직 분리

실제 시스템에서의 활용

웹 서버 아키텍처

  • Apache 전통 모델: 프로세스 기반 (안정성 우선)
  • Nginx: 이벤트 기반 + 적은 수의 워커 프로세스
  • Node.js: 단일 스레드 + 이벤트 루프

브라우저 아키텍처

  • Chrome: 프로세스 격리 (탭마다 별도 프로세스)
  • 렌더링: 메인 스레드 + 워커 스레드 조합

참고 자료

마무리

프로세스와 스레드는 각각 고유한 장단점을 가지고 있으며, 시스템의 요구사항에 따라 적절히 선택해야 합니다. 안정성과 격리가 중요하다면 프로세스를, 성능과 효율성이 중요하다면 스레드를 고려해보세요. 현대의 많은 시스템들은 두 방식을 적절히 조합하여 사용하고 있습니다.

그래프 뷰

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