왜 프로세스만으로는 부족한가

03편에서 프로세스는 코드·데이터·힙·스택과 레지스터 값을 독립적으로 가진 실행 단위라고 배웠습니다. 그런데 워드프로세서 하나가 “화면에 글자를 그리는 일”과 “맞춤법을 실시간으로 검사하는 일”을 동시에 하고 있다고 해 봅시다. 이 두 작업을 완전히 별개의 프로세스로 만들면, 프로세스마다 메모리 공간이 독립적이라서 “지금 화면에 어떤 문서가 열려 있는지” 같은 정보를 서로 공유하기가 번거롭고 느립니다. 이런 상황을 위해 운영체제는 프로세스보다 더 작은 실행 단위인 스레드(thread)를 제공합니다.

쉽게 말하면: 프로세스가 “직원 한 명에게 배정된 사무실 한 칸(독립된 자원)“이라면, 스레드는 “그 사무실 안에서 동시에 여러 일을 처리하는 직원의 여러 손”입니다. 손(스레드)들은 같은 사무실(프로세스의 메모리 공간)을 공유하기 때문에 서로 자료를 주고받기 쉽습니다.

1. 스레드란 무엇인가

스레드(thread, 실 가닥)는 프로세스 내부에서 실제로 명령어를 실행해 나가는 흐름의 단위입니다. 하나의 프로세스는 하나 이상의 스레드를 가질 수 있으며, 같은 프로세스에 속한 스레드들은 그 프로세스의 코드 영역·데이터 영역·힙을 함께 공유합니다. 반면 각 스레드는 자신만의 스택과 레지스터 값(특히 프로그램 카운터)은 따로 가집니다. 스레드마다 “지금 어디를 실행하고 있는지”는 달라야 하므로, 이 부분만은 스레드별로 독립적이어야 하기 때문입니다.

이 그림에서 스레드 1, 2, 3은 같은 프로세스 영역 안에 함께 있습니다. 즉 세 스레드는 같은 데이터(예: 지금 열려 있는 문서 내용)를 동시에 읽고 쓸 수 있습니다. 이 “공유”라는 성질이 스레드의 가장 큰 장점이자, 뒤에서 다룰 문제(경쟁 조건)의 근원이기도 합니다.

2. 프로세스 vs 스레드 — 왜 스레드를 쓰는가

자주 틀리는 점: “스레드는 프로세스와 완전히 독립된 자원을 가진다”는 설명은 틀렸습니다. 스레드는 스택과 레지스터 값만 독립적일 뿐, 코드·데이터·힙은 소속 프로세스의 것을 그대로 공유합니다. 또한 “여러 스레드를 쓰면 프로세스를 여러 개 만드는 것보다 항상 무조건 안전하다”는 것도 오해입니다. 자원을 공유한다는 것은 편리함과 동시에 여러 스레드가 같은 데이터를 동시에 건드릴 위험(경쟁 조건)을 함께 가져온다는 뜻이기 때문입니다. 이 위험은 이번 편의 뒷부분과 10편에서 자세히 다룹니다.

이제 03편의 프로그램-프로세스 구분과 이번 절의 프로세스-스레드 구분을 하나로 이으면, 독학사 시험이 좋아하는 3단 비교가 완성됩니다.

3. 사용자 스레드와 커널 스레드 — 누가 스레드를 관리하는가

스레드를 누가 만들고 스케줄링하는지에 따라 두 가지로 나눕니다.

• 사용자 스레드(user-level thread): 커널의 개입 없이, 사용자 영역의 스레드 라이브러리가 직접 스레드를 만들고 관리합니다. 스레드 전환이 커널 모드로 넘어가지 않고 사용자 모드 안에서 이루어지므로 생성과 전환이 빠릅니다. 다만 커널은 이 스레드들의 존재를 모르기 때문에, 그중 하나가 입출력 요청으로 대기 상태에 들어가면 커널 입장에서는 “프로세스 전체”가 대기 상태에 들어간 것으로 보여 같은 프로세스의 다른 사용자 스레드까지 함께 멈출 수 있습니다.
• 커널 스레드(kernel-level thread): 커널이 직접 스레드의 존재를 인식하고 스케줄링합니다. 스레드 하나가 대기 상태에 들어가도 커널이 같은 프로세스의 다른 스레드에게 CPU를 넘길 수 있습니다. 다만 스레드를 만들거나 전환할 때마다 커널 모드로 전환해야 하므로 사용자 스레드보다 상대적으로 비용이 큽니다.

쉽게 말하면: 사용자 스레드는 “한 사무실 안에서 팀장(스레드 라이브러리)이 알아서 직원들 업무를 나누는 것”이고, 커널 스레드는 “회사 전체의 인사팀(커널)이 각 직원의 업무 배정까지 직접 관리하는 것”입니다. 팀장 선에서 끝나면 빠르지만, 팀장이 다루는 직원 한 명이 외부 미팅(입출력 대기)으로 자리를 비우면 인사팀은 그 사무실 전체가 비어 있는 줄 알 수 있습니다.

두 방식을 섞어서 쓰는 다대다 모델처럼 사용자 스레드 여러 개를 커널 스레드 여러 개에 적절히 대응시키는 방식도 있지만, 독학사 2단계에서는 위 두 기본 개념의 차이를 정확히 구분하는 것이 우선입니다. 스레드를 활용한 실제 통신·동시성 문제는 09편의 “스레드, IPC, 그리고 동시성의 구조”에서 이어서 다룹니다.

4. 임계구역 — 공유 자원을 둘러싼 위험 지대

스레드(또는 프로세스)가 같은 데이터를 공유한다는 것은, 여러 실행 흐름이 동시에 그 데이터를 건드릴 수 있다는 뜻입니다. 이때 여러 실행 흐름이 동시에 접근하면 결과가 꼬여 버리는 코드 영역을 임계구역(critical section)이라고 부릅니다.

예를 들어 두 스레드가 같은 변수 공유잔액(공동 계좌 잔액이라고 생각해도 됩니다)에 각각 1000원씩 더하는 코드를 동시에 실행한다고 해 봅시다. 겉보기에는 최종적으로 2000원이 늘어야 할 것 같지만, 두 스레드가 “값을 읽고 → 계산하고 → 다시 저장하는” 세 단계를 서로 겹쳐서 실행하면 한쪽의 결과가 다른 쪽에 덮어써져 1000원만 늘어나는 경우가 생길 수 있습니다. 이렇게 실행 순서(타이밍)에 따라 결과가 달라지는 상황을 경쟁 조건(race condition)이라고 부릅니다.

쉽게 말하면: 임계구역은 “화장실 한 칸”입니다. 여러 사람(스레드)이 동시에 들어가려고 하면 문제가 생기므로, 한 번에 한 사람만 들어가게 해야 합니다. 경쟁 조건은 “누가 먼저 들어갔는지에 따라 결과(줄 서는 순서)가 뒤죽박죽되는 상황”입니다.

이 문제를 해결하려면 “임계구역에는 한 번에 하나의 실행 흐름만 들어갈 수 있게” 만들어야 하는데, 이를 상호배제(mutual exclusion)라고 부릅니다. 상호배제를 구현하는 구체적인 도구가 다음 절의 세마포어와 모니터이며, 임계구역 문제 자체의 요구 조건(상호배제·진행·유한 대기)은 10편에서 정식으로 다룹니다. 여기서는 “동시에 접근하면 위험한 코드 구간 = 임계구역”이라는 용어와 그림만 확실히 잡아 둡니다.

5. 세마포어와 모니터 — 기호와 표현 방식 미리 읽기

임계구역을 안전하게 지키는 대표적인 두 도구가 세마포어와 모니터입니다. 아직 원리를 배우지 않았지만, 뒤 편에서 처음 보고 당황하지 않도록 기호와 표현 방식만 먼저 익혀 둡니다.

세마포어(semaphore, 원래는 철도의 신호기를 뜻하는 말)는 정수 값 하나와, 그 값을 안전하게 바꾸는 두 개의 연산으로 이루어진 동기화 도구입니다.

세마포어 값이 화장실 칸의 “빈 칸 수”라고 생각하면, P(S)는 “빈 칸이 있으면 들어가고 빈 칸 수를 하나 줄이는 것”, V(S)는 “나오면서 빈 칸 수를 하나 늘려 주는 것”에 해당합니다. 값이 0이면 더는 들어갈 칸이 없다는 뜻이므로 다음 사람은 대기해야 합니다.

모니터(monitor)는 세마포어보다 더 높은 수준에서, 공유 자원과 그 자원을 다루는 연산들을 하나의 캡슐 안에 묶어 두는 동기화 도구입니다. 모니터 안에서는 한 번에 하나의 실행 흐름만 들어갈 수 있도록 자동으로 관리되며, 특정 조건이 만족될 때까지 기다리게 하는 조건변수(condition variable)라는 도구를 함께 씁니다. 조건변수에는 wait()(조건이 만족될 때까지 대기)와 signal()(조건을 기다리던 다른 실행 흐름을 깨움) 두 연산이 있습니다.

쉽게 말하면: 세마포어는 “화장실 앞에 놓인 빈 칸 수 표시판과, 그 표시판 숫자를 직접 바꾸는 규칙”이고, 모니터는 “화장실 전체 운영을 대신 맡아 주는 관리인이 있어서 이용자는 문만 두드리면(연산을 호출하면) 알아서 순서를 정리해 주는 방식”입니다.

세마포어와 모니터가 실제로 어떻게 임계구역 문제를 해결하는지, 두 방식의 장단점이 무엇인지는 10편의 “임계구역과 프로세스 동기화”에서 예제와 함께 자세히 다룹니다. 이번 편에서는 P/V(또는 wait/signal) 기호, 그리고 모니터의 조건변수라는 이름을 낯설지 않게 만드는 것이 목표입니다.

핵심 정리

• 스레드는 프로세스 내부의 실행 흐름 단위로, 같은 프로세스의 스레드들은 코드·데이터·힙을 공유하고 스택과 레지스터 값(프로그램 카운터 포함)만 독립적으로 가진다.
• 프로그램(정적 파일) → 프로세스(자원을 독립적으로 소유하는 실행 단위) → 스레드(프로세스 내부의 실행 흐름 단위) 순으로 단위가 세분화된다.
• 사용자 스레드는 커널 개입 없이 빠르지만 하나의 대기가 전체 프로세스에 영향을 줄 수 있고, 커널 스레드는 커널이 직접 관리해 스레드 단위로 유연하지만 전환 비용이 더 크다.
• 임계구역은 동시에 접근하면 결과가 꼬이는 코드 구간이며, 그로 인해 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 현상을 경쟁 조건이라 부른다.
• 세마포어는 P(wait)/V(signal) 연산으로 자원 접근을 통제하고, 모니터는 자원과 연산을 캡슐화하고 조건변수의 wait()/signal()로 대기·깨움을 처리한다.

마무리 복습

참고 자료

• KOCW 운영체제 강의자료 - 스케줄링/동기화/가상메모리 
• 운영체제_Study 저장소 README