프로세스 vs 스레드: 운영체제의 핵심 개념과 CPU 스케줄링 알고리즘 분석

핵심 기술

본 콘텐츠는 운영체제의 핵심 개념인 프로세스와 스레드의 정의, 차이점, 그리고 이들이 CPU 자원을 효율적으로 활용하기 위한 Context Switching 및 CPU 스케줄링 알고리즘의 기본 원리를 상세히 설명합니다. IT 기술 면접의 단골 질문이자 운영체제의 근간을 이루는 이 주제들을 명확하게 이해하는 것을 목표로 합니다.

기술적 세부사항

• 프로세스(Process):
  • 운영체제로부터 독립적인 메모리 공간 및 자원을 할당받은 실행 중인 프로그램의 단위.
  • '정적인 상태'의 프로그램과 달리 '동적인 상태'로 메모리에 올라가 실행되는 상태를 의미.
  • 자원 공유 방식: 각 프로세스는 별도의 메모리 영역(Code, Data, Heap, Stack)을 할당받음.
• 스레드(Thread):
  • 하나의 프로세스 내에서 실행되는 더 작은 실행 흐름의 단위.
  • 프로세스가 할당받은 자원(Code, Data, Heap)을 스레드 간에 공유하며 작동.
  • 프로세스의 한계를 극복하고 더 복잡하고 정교한 작업을 효율적으로 처리하기 위해 탄생.
  • 코드 안의 함수들에 비유될 수 있음.
• Context: CPU가 프로세스나 스레드를 실행하는 데 필요한 모든 상태 정보 (CPU 레지스터, 프로그램 카운터, 메모리 정보, PCB 등).
• Context Switching: CPU가 현재 실행 중인 프로세스/스레드의 Context를 저장하고, 다른 프로세스/스레드의 Context를 복원하여 실행을 전환하는 과정. 멀티태스킹 구현의 핵심.
  • Context Switching 발생 인터럽트: Timer Interrupt, I/O Interrupt, System Call, 프로세스 생성/종료, 외부 이벤트 발생.
  • 주의: 과도한 Context Switching은 CPU 성능 저하를 유발하며, 초당 수백~천여 회 이상 빈도가 위험 신호.
• CPU 스케줄링 알고리즘: CPU 코어 수가 한정적일 때, 운영체제가 여러 프로세스 중 어떤 프로세스에 CPU를 언제 할당할지 결정하는 규칙.
  • 비선점형 알고리즘: CPU 점유 시 자발적 종료 또는 I/O 대기 전까지 CPU를 빼앗기지 않음.
    • FCFS (First Come First Served): 구현 간단, 기아 문제 없음. Convoy Effect 발생 가능.
    • SJF (Shortest Job First): 평균 대기 시간 최소화. 기아 현상 및 실행 시간 예측 필요.
  • 선점형 알고리즘: CPU 점유 중에도 강제로 중단되고 다른 프로세스에 CPU 양도 가능.
    • Priority Scheduling (우선순위 기반): 중요한 작업 우선 처리. 기아 현상 발생 가능 → 에이징 기법으로 완화.
    • RR (Round Robin, 라운드 로빈): 동일한 시간(tq) 할당 후 순환 방식. 공평한 분배, 반응성 좋음. 타임퀀텀 설정에 따라 성능 영향.

개발 임팩트

프로세스와 스레드의 개념적 이해를 통해 프로그램의 내부 동작 방식을 명확히 파악할 수 있습니다. 또한, Context Switching과 CPU 스케줄링 알고리즘에 대한 지식은 시스템의 성능 병목 현상을 진단하고, 효율적인 자원 관리를 통해 애플리케이션의 반응성과 처리량을 개선하는 데 필수적인 기반을 제공합니다. 이는 멀티태스킹 환경에서의 안정적이고 효율적인 소프트웨어 개발로 이어집니다.

커뮤니티 반응

(원문에 커뮤니티 반응에 대한 직접적인 언급은 없으나, 이 주제는 Stack Overflow, GitHub 토론 등에서 기술 면접 준비 및 시스템 설계 논의 시 매우 활발하게 다루어지는 고전적인 주제입니다.)

톤앤매너

본 콘텐츠는 IT 개발 및 프로그래밍 분야의 학습자 및 실무자를 대상으로, 운영체제의 핵심 원리를 쉽고 정확하게 전달하는 전문적이고 교육적인 톤을 유지합니다.