[OS] 프로세스(Process)와 스레드(Thread)
프로그램→프로세스→스레드 흐름, 메모리 구조 비교, 멀티스레드 장단점, 디스패처·문맥 교환, 가상 메모리와 스래싱까지 면접 핵심 개념을 한 번에 정리한 포스트입니다.
면접 단골 질문이자 OS의 핵심 개념. 프로그램 → 프로세스 → 스레드 흐름을 완전히 이해하자.
1. 정의
| 용어 | 정의 | 핵심 키워드 |
|---|---|---|
| 프로세스 | 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위 | 작업, OS 최소 단위 |
| 스레드 | 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위 | 실행 흐름, CPU 최소 단위 |
💡 프로세스 = “어떤 일을 해야 하는가?”
💡 스레드 = “어느 순서로 수행할 것인가?”
2. 프로그램 → 프로세스
- 프로그램: 아직 실행되지 않은 파일 그 자체 (정적인 상태)
- 메모리에 올라가 있지 않음 → OS가 독립적인 메모리 공간을 아직 할당하지 않은 상태
- 그냥 코드 덩어리
- 프로세스: 프로그램을 실행한 것 (동적인 상태)
- 메모리에 올라간 순간 → 프로세스가 됨
- 스케줄링 단계에서의 “작업”과 같은 의미
한 줄 요약: 프로그램은 코드 덩어리 파일, 그 프로그램을 실행한 게 프로세스.
3. 프로세스 → 스레드
왜 스레드가 필요한가?
과거에는 프로세스 하나로 프로그램 전체를 처리했지만, 프로그램이 복잡해지면서 한계가 생겼다.
“한 프로그램을 처리하기 위한 프로세스를 여러 개 만들면 안 될까?”
→ ❌ 불가능. OS는 안전성을 위해 프로세스마다 자신에게 할당된 메모리 내의 정보에만 접근할 수 있도록 제약을 둠.
그래서 더 작은 실행 단위 개념이 필요하게 됨 → 스레드(Thread)
스레드의 핵심
- 스레드는 프로세스와 다르게 스레드 간 메모리를 공유하며 작동
- 코드에 비유하면: 프로세스 = 코드 전체, 스레드 = 코드 내에 선언된 함수들 (
main함수도 스레드)
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프로세스
├── 스레드 1 ─┐
├── 스레드 2 ─┼──→ Code / Data / Heap (공유 메모리 영역)
└── 스레드 3 ─┘
스레드 1 ── Stack 1 (독립)
스레드 2 ── Stack 2 (독립)
스레드 3 ── Stack 3 (독립)
한 줄 요약: 스레드는 프로세스의 코드에 정의된 절차에 따라 실행되는 특정한 수행 경로다.
4. 메모리 구조 비교
프로세스의 독립 메모리 영역 (OS가 할당)
OS는 프로세스마다 각각 독립된 메모리 영역을 Code / Data / Stack / Heap 형식으로 할당한다.
스레드 간 공유 구조 (★ 핵심)
프로세스가 할당받은 메모리 영역 내에서:
- Stack: 스레드마다 따로 할당받음 (독립)
- Code / Data / Heap: 같은 프로세스 내 스레드끼리 공유
| 메모리 영역 | 역할 | 스레드 간 |
|---|---|---|
| Code | 실행할 코드 저장 | ✅ 공유 |
| Data | 전역변수, 정적변수 | ✅ 공유 |
| Heap | 동적 할당 메모리 (읽기/쓰기 모두 가능) | ✅ 공유 |
| Stack | 함수 호출, 지역변수 | ❌ 스레드마다 독립 |
⚠️ 힙 메모리를 공유하기 때문에 → 동기화 문제(Synchronization Issue) 발생 가능
5. 단일 스레드 vs 멀티 스레드
- 단일 스레드: 프로세스당 하나의 스레드가 기본적으로 할당됨
- 멀티 스레드: 프로세스에 여러 개의 스레드가 할당됨 → 반드시 동기화 처리 필요
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[단일 스레드] [멀티 스레드]
프로세스 → 스레드 1개 프로세스 → 스레드 1
→ 스레드 2 → ⚠️ 동기화 처리 필요
→ 스레드 3
6. 멀티 태스킹 vs 멀티 스레드
| 구분 | 멀티 태스킹 | 멀티 스레드 |
|---|---|---|
| 단위 | 여러 프로세스 | 하나의 프로세스 내 여러 스레드 |
| 메모리 공유 | ❌ 각자 독립 메모리 | ✅ Code/Data/Heap 공유 |
| Context-Switching 비용 | 크다 (캐시 메모리 초기화 포함) | 작다 (공유 메모리만큼 절약) |
| 통신 방법 | IPC, LPC, 공유 메모리 (부담 큼) | 메모리 직접 접근 (빠름) |
| 오류 영향 | 다른 프로세스에 영향 없음 | 같은 프로세스 내 모든 스레드 종료 |
⚠️ 멀티 태스킹: 한 번에 여러 프로세스가 동시에 돌아가는 것이 아님.
프로세스 간 Context-Switching 시 많은 자원 손실이 발생한다.
7. 멀티 스레드 장단점
✅ 장점
- Context-Switching 비용 절감: 공유하고 있는 메모리만큼의 메모리 자원을 아낄 수 있다.
- 통신 부담 적음: Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적어서 응답 시간이 빠르다.
- 자원 효율: 멀티태스킹보다 멀티스레드가 자원을 더 아낄 수 있다.
❌ 단점
- 전체 종료 위험: 스레드 하나가 프로세스 내 자원을 망쳐버린다면 모든 스레드(프로세스)가 종료될 수 있다.
- 동기화 문제 필연적 발생: 자원을 공유하기 때문에 Synchronization Issue가 발생할 수밖에 없다.
- 프로그래머가 직접 처리: 동기화(Synchronization) 처리는 OS가 자동으로 해주지 않기 때문에 프로그래머가 직접 동기화 기법을 구현해야 한다.
- 디버깅 까다로움
동기화 문제(Synchronization Issue) 상세
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스레드 A가 자원 X 사용 중
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B로 제어권 전환 (Context-Switching)
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스레드 B가 자원 X 수정
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다시 A로 제어권 전환
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A가 수정된 자원 X에 접근 → ❌ 오류 발생 가능
멀티스레드를 사용하면 각각의 스레드 중 어떤 것이 어떤 순서로 실행될지 알 수 없다. 여러 스레드가 함께 전역 변수를 사용할 경우 발생하는 충돌을 동기화 문제라고 한다.
8. 프로세스 간 정보 공유
일반적으로 프로세스는 다른 프로세스의 정보에 접근할 수 없지만, 아래 방법으로는 가능하다.
⚠️ 단순 CPU 레지스터 교체뿐만 아니라 RAM↔CPU 사이의 캐시 메모리까지 초기화되므로 자원 부담이 크다.
| 방법 | 설명 |
|---|---|
| IPC (Inter-Process Communication) | 프로세스 간 통신 표준 방법 |
| LPC (Local inter-Process Communication) | 같은 시스템 내 프로세스 간 통신 |
| 공유 메모리 | 별도의 공유 메모리 공간을 만들어 정보 주고받음 |
9. 프로세스 스케줄링 및 상태 변화
핵심 개념 관계도
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[준비 큐 (Ready Queue)]
프로세스 A (PCB)
프로세스 B (PCB)
↓ 스케줄링
[디스패처 (Dispatcher)] ── dispatch ──→ [프로세서 (Processor / CPU)]
↓ 트리거 ▶ 현재 실행 중인 프로세스
[문맥 교환 (Context Switching)]
이전 PCB 저장 → 새 PCB 복구
└─────────────────────────────────→ CPU 제어권 이전
↑
선점/타임아웃 시 다시 준비 큐로 ←──────
프로세서(Processor)
- 정의: 하드웨어 CPU 그 자체를 의미하며, 명령어를 실행하는 주체.
- 역할: 한 번에 하나의 프로세스(스레드)를 실행한다. 멀티코어 환경에서는 코어 수만큼 병렬 실행 가능.
- 관계: 디스패처가 결정한 프로세스를 실제로 실행하는 하드웨어. Ready Queue → Dispatcher → Processor 흐름의 최종 종착지.
디스패치(Dispatch)
- 정의: 준비 큐(Ready Queue)에 있는 프로세스 중 하나를 선택하여 CPU 제어권을 실제로 넘겨주는 행위.
- 담당 주체: OS 내의 디스패처(Dispatcher) 모듈이 수행.
- 포함 작업:
- 문맥 교환(Context Switching) 수행
- 사용자 모드로 전환
- 새 프로세스의 적절한 위치로 점프(재시작)
문맥 교환(Context Switching)
- 정의: 디스패치 과정에서 발생하는 기술적 작업. 이전 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고, 새 프로세스의 상태를 복구함.
- 저장/복구 대상 (PCB 내용):
- PC (Program Counter)
- CPU 레지스터 값
- 프로세스 상태 (Running / Ready / Waiting)
- 메모리 관리 정보
- 비용: 단순 CPU 레지스터 교체뿐 아니라 RAM ↔ CPU 캐시 메모리까지 초기화되므로 자원 부담이 크다.
💡 핵심 차이 정리
개념 분류 설명 프로세서 하드웨어 명령어를 실제 실행하는 CPU 프로세스 소프트웨어(실행 단위) OS로부터 자원을 할당받아 실행 중인 작업 디스패치 OS의 행위 어떤 프로세스에게 CPU를 줄지 결정하고 넘기는 것 문맥 교환 디스패치 내부의 기술 과정 이전 상태 저장 + 새 상태 복구
10. 가상 메모리 관리와 스래싱
페이지 교체 알고리즘 (FIFO vs LRU)
| 알고리즘 | 교체 기준 | 특징 |
|---|---|---|
| FIFO (First-In, First-Out) | 처음 적재된 시점 | 순서 고정, 단순함 |
| LRU (Least Recently Used) | 마지막으로 참조된 시점 | 재호출 시 순서 업데이트 (“생명 연장”) |
💡 업데이트의 유무: LRU는 이미 메모리에 있는 데이터라도 다시 호출되면 ‘나갈 순서’를 뒤로 밀어주는 ‘생명 연장’ 처리를 한다.
스래싱(Thrashing)
- 정의: 실행 시간보다 페이지 교체에 드는 시간이 더 많아져 CPU 이용률이 급격히 떨어지는 현상.
- 발생 원인: 주 메모리(RAM) 용량에 비해 너무 많은 앱을 실행하여, 각 프로세스가 최소한의 페이지(Working Set)조차 확보하지 못할 때 발생.
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RAM 부족
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프로세스들이 Working Set 확보 못 함
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페이지 폴트 빈발 → SSD/HDD I/O 폭증
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CPU는 I/O 대기 → 이용률 급락
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OS가 더 많은 프로세스를 메모리에 올리려 함 (악순환)
↓
⚠️ 스래싱 발생
11. 페이지 크기에 따른 변화
| 구분 | 페이지 크기 작을 때 | 페이지 크기 클 때 |
|---|---|---|
| 내부 단편화 | ✅ 줄어듦 (메모리 효율 ↑) | ❌ 심해짐 |
| 페이지 테이블 크기 | ❌ 커짐 | ✅ 작아짐 |
| 페이지 폴트 빈도 | ❌ 잦아짐 | ✅ 줄어듦 |
| I/O 오버헤드 | ❌ 증가 | ✅ 감소 |
요약: 페이지 크기는 내부 단편화(작을수록 유리) vs I/O 효율(클수록 유리) 사이의 트레이드오프다.
12. 결론 및 면접 답변 정리
핵심 요약
- 운영체제 관점 최소 단위: 프로세스
- CPU 관점 최소 단위: 스레드
- 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 반드시 가짐
- 동기화(Synchronization) 처리는 OS가 자동 처리하지 않음 → 프로그래머 직접 구현 필요
- 스레드 스케줄링 자체는 OS 커널이 담당하나, 공유 자원에 대한 동기화 로직은 프로그래머 책임
면접 답변 예시
Q. 프로세스와 스레드의 차이에 대해 말해주세요.
프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위이고, 스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위입니다.
OS는 프로세스마다 독립된 메모리 영역(Code, Data, Stack, Heap)을 할당합니다. 따라서 프로세스끼리는 서로의 자원에 직접 접근할 수 없습니다.
반면 스레드는 같은 프로세스 내에서 Stack만 독립적으로 사용하고, Code / Data / Heap은 공유합니다. 이 덕분에 스레드 간 통신 비용이 적고 Context-Switching 비용도 낮습니다. 그러나 공유 자원에 대한 동기화 문제가 필연적으로 발생하며, 이는 프로그래머가 직접 처리해야 합니다.
Q. 디스패처와 문맥 교환의 차이는 무엇인가요?
디스패처는 준비 큐에 있는 프로세스 중 어떤 프로세스에게 CPU 제어권을 넘겨줄지 결정하고 실행하는 행위입니다.
문맥 교환은 그 디스패치 과정 내에서 발생하는 기술적 절차로, 현재 실행 중인 프로세스의 상태(PC, 레지스터 등)를 PCB에 저장하고, 새롭게 실행할 프로세스의 상태를 PCB에서 복구하는 작업입니다.
즉, 디스패치는 “누구에게 줄 것인가”라는 결정과 행위이고, 문맥 교환은 그 과정에서 수반되는 상태 저장·복구 메커니즘입니다.