멀티스레딩, 컨텍스트 스위치, 스케줄링, 프로세스 vs 스레드

1. 멀티스레딩이 필요한 이유

멀티스레딩이 필요한 주요 이유는 크게 두가지로 응답성(Responsiveness)과 성능(Performance)이다.

1.1. 응답성(Responsiveness)

사용자 경험 측면에서 응답성은 소프트웨어 품질을 결정하는 핵심 요소이다.

• 사례 1: 온라인 쇼핑몰에서 대량 구매 요청이 DB 작업을 지연시킬 경우, 다른 사용자의 요청이 차단됨 → 멀티스레딩으로 각 요청을 별도 스레드에서 처리하면 동시 응답 가능
• 사례 2: 동영상 재생 앱
  • 메인 스레드: UI 이벤트 처리
  • 워커 스레드: 미디어 디코딩 및 출력 → 사용자 인터랙션 지연 없는 부드러운 경험 제공

이러한 동시성(Concurrency)은 멀티스레딩을 통해 구현할 수 있으며, 심지어 단일 코어에서도 가능하다.

1.2. 성능(Performance)

멀티스레딩은 단일 스레드 방식에 비해 복잡한 작업을 훨씬 짧은 시간 안에 완료할 수 있는 장점을 가지고 있다.

• 동시성(Concurrency): 단일 코어에서도 컨텍스트 스위치를 통해 여러 작업이 동시에 실행되는 것처럼 보이게 실행
• 병렬성(Parallelism): 멀티코어 환경에서 실제로 여러 작업을 완전히 병렬로 실행

멀티 스레딩을 통해 얻을 수 있는 이점

• 복잡한 작업을 훨씬 짧은 시간 내에 완료
• 동일한 시간 내에 더 많은 작업 처리 가능
• 대규모 서비스 운영 시 필요한 서버 수 감소로 인한 비용 절감

2. 프로세스와 스레드

컴퓨터를 켜면 운영체제(OS)가 디스크에서 메모리로 로드된다. 운영체제는 개발자들이 하드웨어와 CPU를 직접 다루지 않고도 애플리케이션을 개발할 수 있도록 추상화를 제공한다.

모든 애플리케이션은 디스크에 파일 형태로 존재하다가, 실행될 때 운영체제에 의해 메모리에 로드된다.

이렇게 메모리에 로드된 인스턴스를 프로세스라 한다.

프로세스가 포함하는 주요 요소

• 메타데이터(프로세스 ID 등)
• 열린 파일들
• 실행될 프로그램 코드
• 데이터를 저장하는 힙(heap)
• 최소 하나의 메인 스레드

각 스레드가 포함하는 주요 요소

• 스택(지역 변수 저장 및 함수 실행)
• 프로그램 카운터(다음 실행할 명령어의 주소를 가리킴)

멀티스레드 애플리케이션에서는 각 스레드가 자신만의 스택과 프로그램 카운터를 가지지만,

프로세스의 다른 구성요소들은 모든 스레드가 공유한다.(모든 스레드는 동일한 Code/Heap 영역 공유)

구분	프로세스	스레드
메모리 영역	독립적	Code/Heap 공유
생성 비용	높음 (메모리 복제 필요)	낮음
통신	IPC(파이프, 소켓 등) 필요	공유 메모리 직접 접근
안정성	강함 (한 프로세스 오류가 타 프로세스 영향 X)	약함 (스레드 하나의 오류가 전체 프로세스 종료 가능)

3. 컨텍스트 스위치와 스레드 스케줄링

3.1. 컨텍스트 스위치란?

일반적으로 프로세스와 스레드의 수는 CPU 코어의 수보다 많다. 따라서 운영체제는 한 스레드를 실행하다가 중지하고 다른 스레드를 실행하는 작업을 반복해야 한다. 이러한 전환 과정을 컨텍스트 스위치라고 한다.

 

컨텍스트 스위치 발생 조건

1. 타임슬라이스(Time Slice) 만료
2. I/O 대기 등 자발적 양보
3. 높은 우선순위 작업 발생

컨텍스트 스위치의 주요 특징

평균 문맥 교환 시간: 1~10μs (시스템 사양에 따라 차이) → 초당 10,000회 교환 시 10ms(전체 CPU 시간의 1%) 소모 → 과도한 스레드 생성은 스레싱(Thrashing) 유발

• 비용이 많이 드는 작업
• 동일 프로세스 내의 스레드 간 전환이 다른 프로세스의 스레드로 전환하는 것보다 비용이 적게 듬

3.2. 스레드 스케줄링

운영체제는 다음과 같은 방식으로 스레드를 스케줄링한다.

주요 스케줄링 전략

• Fair Share Scheduler: CPU 시간을 프로세스별로 균등 분배
• Completely Fair Scheduler(CFS): Linux 기본 스케줄러, 가중치 기반 분배
• Real-Time Scheduler: 마감시간(Deadline) 준수 보장

우선순위 결정 요소

• 정적 우선순위: 프로그래머가 명시적 설정 (예: RTOS)
• 동적 보정값:
  • I/O 집약적 작업 → 우선순위 상승
  • CPU 집약적 작업 → 우선순위 하락

스케줄링을 통해 얻을 수 있는 이점

• 대화형 및 실시간 스레드에 우선권 부여
• 이전 에포크에서 충분한 실행 시간을 받지 못한 연산 스레드에도 기회 제공
• 스레드 기아 현상 방지

4. 프로세스 vs 스레드: 언제 무엇을 사용해야 할까?

멀티스레드 접근방식이 좋은 경우

• 여러 작업이 많은 데이터를 공유해야 할 때
• 빠른 생성과 소멸이 필요할 때
• 태스크 간 전환이 자주 일어나야 할 때
• 예시: 웹 서버(동시 연결 처리), 게임 엔진(물리/렌더링 병렬화)

별도의 프로세스를 사용하는 것이 좋은 경우

• 보안과 안정성이 최우선일 때
• 결함 격리(Fault Isolation) 필요한 경우
• 작업들이 서로 완전히 독립적일 때
• 예시: 크롬 브라우저(탭별 프로세스 격리)

5. 주의 점

• 스레드 풀(Thread Pool) 활용
  • 과도한 스레드 생성 방지
  • 일반적으로 (코어 수 * 2) 권장
• Lock Contention 회피
  • Read-Write Lock, Atomic Operation 활용
• False Sharing 문제
  • 서로 다른 스레드가 물리적으로 인접한 메모리 영역에 위치한 변수를 개별적으로 수정할 때 발생하는 성능 저하 현상
  • 실제로 데이터를 공유하지 않지만, 하드웨어의 캐시 라인 최적화로 인해 불필요한 캐시 무효화가 반복
    
  • 해결 방안 : 필드패딩 추가, @Contended 애노테이션 사용, 스레드 별 독립 객체 사용하여 캐시 경쟁 제거, 별도의 클래스로 분할

 

 

참고 자료 :

Udemy - Java 멀티스레딩, 병행성 및 성능 최적화 - 전문가 되기 

https://www.geeksforgeeks.org/cpu-scheduling-in-operating-systems/

CPU Scheduling in Operating Systems - GeeksforGeeks

 

https://developer.chrome.com/docs/extensions/reference/api/processes?hl=ko#type-ProcessType

chrome.processes  |  API  |  Chrome for Developers