[Operating System & Concurrency] 프로세서, 프로세스, 스레드, 코루틴의 개념과 관계 정리

 

운영체제를 공부하면서 여러 번 관계성을 정리하려 했지만, 학습할 때마다 다시 헷갈리는 반복이 이어졌습니다.

흐름을 제대로 정리하고자 여러 유튜브 강의를 찾아보던 중, 유튜버 얄팍한 코딩사전님의 "프로세스는 뭐고 스레드는 뭔가요?" 영상을 보고 개념을 정리하는 데 많은 도움을 받았습니다.

이 글은 해당 영상에서 설명된 내용을 바탕으로 나중에 다시 참고하기 위해 정리한 글입니다.

또한, 프로세서, 프로세스, 스레드의 관계를 이해한 후, 처음에는 스레드와 비슷하게 보였던 코루틴의 개념까지 정리하고 싶어 관련 블로그 글을 찾아 읽었습니다.

이 과정에서 발견한 글을 통해 스레드와 코루틴의 차이를 이해하는 데 큰 도움이 되었으며, 이를 바탕으로 최종적으로 본 글을 정리하게 되었습니다.

혹시라도 이 글을 보게 된 분이라면, 제 글을 가볍게 훑어본 후, 참고 자료로 링크를 걸어둔 영상과 블로그 글을 직접 보는 것을 추천드립니다.

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1. CPU와 프로세서의 관계

컴퓨터에서 연산을 수행하는 핵심적인 장치는 CPU(중앙처리장치, Central Processing Unit)이며, 이는 여러 개의 프로세서(Processor)로 구성될 수 있습니다.

• CPU: 컴퓨터의 연산을 담당하는 핵심 장치로, 여러 개의 프로세서를 포함할 수 있음
• 프로세서: CPU의 핵심 연산을 수행하는 개별 장치
• 코어(Core): 프로세서 내부에서 실제 연산을 수행하는 개별 유닛

즉, CPU = 프로세서들의 집합체라고 이해할 수 있으며, 하나의 CPU가 여러 개의 코어를 포함할 수 있습니다.

과거에는 CPU의 성능을 높이기 위해 클럭 속도를 올리는 방식이 사용되었지만, 발열과 전력 소모의 문제로 인해 현재는 멀티코어 프로세서를 활용하는 방식이 일반적입니다.

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2. 프로그램과 프로세스의 차이

• 프로그램: 컴퓨터가 실행할 수 있는 파일
• 프로세스: 프로그램이 실행되어 돌아가고 있는 상태, 즉 컴퓨터가 특정 작업을 수행하는 상태

운영체제는 여러 프로세스를 함께 실행하여 우리가 다양한 작업을 동시에 수행할 수 있도록 합니다.

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3. 프로세서를 활용한 동시성과 병렬성

운영체제는 여러 프로세스를 동시에 실행하는 방식으로 동시성(concurrency)과 병렬성(parallelism)을 사용합니다.

• 동시성: 하나의 프로세서가 여러 작업을 번갈아가며 처리하는 방식
  • 예: 운영체제가 여러 프로세스를 조금씩 실행하면서 빠르게 전환하여 사용자가 여러 작업을 동시에 수행하는 것처럼 보이게 함
  • Context Switching(문맥 교환): 실행 중인 작업을 다른 작업으로 변경하는 과정
  • 실제로는 순차적으로 실행되지만, 매우 빠르게 전환되기 때문에 동시에 실행되는 것처럼 느껴짐
• 병렬성: 여러 개의 코어가 각기 다른 작업을 동시에 수행하는 방식
  • 멀티코어 프로세서(듀얼코어, 쿼드코어, 옥타코어 등)를 이용하여 여러 작업을 동시에 수행함
  • 과거에는 CPU 속도를 높이는 방식으로 성능을 개선했지만, 발열과 전력 소모 등의 물리적 한계로 인해 여러 개의 코어를 추가하는 방식으로 발전함

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4. 프로세스와 스레드

한 프로세스 내에서도 여러 작업이 동시에 진행될 필요가 있습니다. 예를 들어 웹 브라우저는 게임을 다운로드하면서 동시에 다른 페이지를 탐색할 수 있어야 합니다. 이러한 작업의 갈래를 스레드(Thread)라고 합니다.

• 프로세스: 운영체제로부터 독립된 메모리 공간과 자원을 할당받아 실행됨
• 스레드: 프로세스 내에서 메모리와 자원을 공유하며 실행되는 작업 단위

즉, 프로세스는 독립적으로 실행되지만, 프로세스 내부에서는 여러 스레드가 같은 자원을 공유하면서 동시에 실행될 수 있습니다.

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5. 코루틴(Coroutine)과 스레드의 차이

코루틴(Coroutine)은 기존의 스레드보다 더 가벼운 실행 단위로, 비동기 프로그래밍을 더 효율적으로 처리할 수 있도록 도와줍니다.

스레드(Thread)

• 작업 단위: 스레드
• 각 스레드는 독립적인 스택 메모리를 가짐
• 동시성 보장 수단: Context Switching (운영체제가 스레드를 교체하며 실행)
• 블로킹(Blocking): 다른 스레드의 작업이 끝날 때까지 기다려야 함

코루틴(Coroutine)

• 작업 단위: Coroutine Object (객체 기반)
• 코루틴은 Heap 메모리에 저장됨 (JVM 기준)
• 동시성 보장 수단: 프로그래머가 직접 제어하는 Switching
• 논블로킹(Non-Blocking): 코루틴이 멈춰도 같은 스레드에서 다른 코루틴이 실행될 수 있습니다.
• Thread의 대안이 아니라, Thread를 더 세밀하게 활용하는 개념 입니다.
• 작업 단위를 Object로 축소하여 하나의 Thread에서 다수의 Coroutine을 실행할 수 있습니다.
• 작업마다 새로운 Thread를 할당하지 않으므로 Context Switching 비용과 메모리 낭비를 줄일 수 있습니다.
• 같은 프로세스 내에서 Heap에 대한 Locking 문제를 최소화할 수 있습니다.
• 코루틴은 스레드를 효율적으로 반환하고, 자동으로 컨텍스트 스위칭을 처리해서 더 간결하고 안전한 비동기 처리를 가능하게 만들었습니다.

즉, 코루틴은 스레드보다 가볍고, 하나의 스레드에서 여러 개의 코루틴을 실행할 수 있어 더 효율적입니다.

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6. 비유를 통한 이해

컴퓨터에서 프로세서, 프로세스, 스레드, 코루틴의 관계를 식당에 비유하면 다음과 같습니다.

• 프로세서(Processor) = 요리사: 여러 요리를 만들면서 주방을 운영하는 역할
• 프로세스(Process) = 메뉴 주문: 손님이 주문한 각각의 요리
• 스레드(Thread) = 조리 과정: 하나의 요리를 만들기 위한 여러 작업
• 코루틴(Coroutine) = 조리 도우미: 같은 조리 기구를 공유하면서 요리를 효율적으로 진행함

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참고:
https://youtu.be/iks_Xb9DtTM?si=E4AyZL6pVpNtEaom

https://velog.io/@haero_kim/Thread-vs-Coroutine-%EB%B9%84%EA%B5%90%ED%95%B4%EB%B3%B4%EA%B8%B0 

🤔 Thread vs Coroutine 전격 비교