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# 1-3. 프로세스와 스레드

시스템 프로세스와 이를 실행하는 스레드, 여기서 나아가 메모리 공유에 대하여

### 1. 프로세스와 스레드에 대하여 #1 (정의 및 매핑 구조)

* 프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받아 독립적으로 실행되는 단위이며, 핵심은 자원 할당이다.
* 스레드는 프로세스 내부에서 실행되는 작업 흐름의 단위이며, 핵심은 프로세스 내부에서 다중 요청에 대한 처리다.
* 인프라 매핑 구조: 1개의 WAS(Web Application Server)는 1개의 JVM(Java Virtual Machine) 위에 올려져 1개의 애플리케이션 서버를 실행하기 위한 인스턴스로 작동하므로, 다음 등식이 성립한다.
  * 1 WAS = 1 JVM = 1 OS 프로세스
* 작동 메커니즘: 운영체제로부터 자원을 할당받아 1개의 애플리케이션(프로세스)이 실행되면, 내부적으로 다중 스레드(Thread-1, Thread-2, Thread-3, GC 스레드 등)에 의해 다수의 요청을 독립적으로 실행하거나 자원 공유로 인한 동기화 문제를 제어한다. 만약 독립된 다른 WAS2가 구동되면 이는 별도의 JVM2 프로세스로 격리된다.

### 2. 프로세스와 스레드에 대하여 #2 (메모리 공간 구조 및 공유 특성)

* 프로세스의 메모리 구조: 각각 독립된 메모리 공간인 Stack, Heap, Code, Data 영역을 가지며, 기본적으로 다른 프로세스와 메모리 공유를 하지 않는다.
  * 격리 특성: 서로 다른 프로세스 간에는 싱글톤 객체를 공유하는 일이 절대 발생하지 않으며, 공유하는 공간이 없으므로 별도 통신(Socket, IPC 등) 체계를 통과해야만 통신이 가능하다.
* 스레드의 메모리 구조: 스레드는 자신만의 독립된 변수 공간인 Stack 영역만을 개별적으로 할당받는다.
  * 공유 특성: Stack 영역을 제외한 나머지 Heap, Code, Data 영역은 자신이 속한 부모 프로세스의 자원을 그대로 공유하고 참조한다.
  * 동시성 동기화: 동일 프로세스 내부의 스레드들은 Heap 영역에 존재하는 싱글톤 객체나 Data 영역의 정적(static) 변수를 자유롭게 공유하고 참조할 수 있기 때문에, 자원을 동시에 수정할 때 발생하는 동동성 상태에 대응하기 위한 동기화(synchronized) 문제가 필연적으로 동반된다.

### 3. 컨텍스트 스위칭(Context Switching)의 연산 비용과 본질

* 컨텍스트 스위칭 정의: CPU가 현재 실행 중인 프로세스 또는 스레드의 상태(Context)를 보존하고, 스케줄러에 의해 선택된 다음 타깃 프로세스 또는 스레드의 상태를 복원하여 실행을 교체하는 연산 과정이다.
* 프로세스 간 컨텍스트 스위칭: 프로세스는 완전히 독립된 메모리 주소 공간을 소유하므로 가상 메모리 주소 공간(Virtual Address Space)의 전환 비용이 매우 크게 발생한다.
  * 캐시 미스 오버헤드: 특히 CPU 측에서 이전 프로세스의 가상 메모리 주소 매핑 정보에 대한 하드웨어 캐시(TLB)를 통째로 버리는 비용인 TLB Flush 비용이 가중된다.
  * 이로 인해 새로운 프로세스가 기동할 때 가상 메모리 매핑 캐시가 전무하므로, 메모리 주소 테이블을 다시 탐색하여 캐시를 갱신하는 비용인 Page Walk 연산 및 물리 메모리 재접근 부하가 매우 크게 발생한다. 이것이 프로세스 스위칭 오버헤드의 핵심적인 본질이다.
* 스레드 간 컨텍스트 스위칭: 스레드는 Stack 영역을 제외한 Heap, Code, Data 영역의 주소 공간을 완벽하게 공유한다.
  * 비용 절감 원리: CPU 입장에서는 프로세스 자원 자체를 바꿀 필요가 없으므로 가상 메모리 주소 공간의 전환 비용 및 이에 따른 Page Table 변경 연산이 발생하지 않는다.
  * 따라서 하드웨어 캐시인 TLB를 강제로 비워내는 TLB Flush 과정이나 캐시 재구축을 위한 Page Walk 비용이 프로세스에 비해 압도적으로 적으며, CPU는 오직 교체되는 스레드의 Stack 포인터 변경 및 레지스터 값 보존/복원 비용 정도만 가볍게 소모하므로 신속하게 완료된다.

### 4. 프로세스와 시스템 콜의 실행 모드 및 생성 메커니즘

* 실행 권한의 분리: 일반적인 프로세스는 안전성을 위해 제한된 권한만 가진 유저 모드(User Mode)에서 실행된다. 반면 실제 물리적인 하드웨어나 핵심 자원은 운영체제 자체인 커널 모드(Kernel Mode)에서 관리된다. 두 영역을 넘나드는 유일한 법적 통로가 바로 시스템 콜이다.
* 생성 제어 검증: 프로세스를 실행할 때 그 프로세스를 읽어, 프로세스에 쓰라는 시스템 콜이 필요한가에 대한 대답은 아니다(X)다. 프로세스의 생성 자체가 커널의 개입(시스템 콜)으로 이루어지며, 커널의 개입으로 자원 이동이 발생하는 것이다.
* 운영체제별 프로세스 생성 시스템 콜의 대표적인 예시
  * Linux 기준: fork(), execve()
  * Windows 기준: CreateProcess()
* 커널 동작 내부: 사용자가 프로그램을 실행하여 위 시스템 콜을 호출하는 순간, 커널이 PCB(Process Control Block)를 생성 및 등록하고 가상 메모리 공간을 확보하여 Code, Heap, Stack 공간을 할당하는 일련의 무거운 작업들이 이뤄진다. 이후 파일 디스크립터를 제어하는 read(fd, buf, 100), write(fd, buf, 100) 등의 세부 시스템 콜 연산으로 연결된다.


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