프로세스 & 스레드 & 동시성 — 면접 대비 정리
프로세스 vs 스레드, 컨텍스트 스위칭, 동시성 vs 병렬성, 뮤텍스 vs 세마포어, 데드락 조건과 예방까지. OS 면접 질문을 정리한다.
프로세스 vs 스레드
프로세스
독립적인 실행 단위. OS가 자원을 할당하는 기본 단위.
프로세스 A 프로세스 B
┌─────────────────┐ ┌─────────────────┐
│ Code Segment │ │ Code Segment │
│ Data Segment │ │ Data Segment │
│ Heap │ │ Heap │
│ Stack │ │ Stack │
│ (독립된 메모리) │ │ (독립된 메모리) │
└─────────────────┘ └─────────────────┘
각 프로세스는 독립된 메모리 공간을 가진다. 한 프로세스가 죽어도 다른 프로세스에 영향 없다.
프로세스 간 통신(IPC): 파이프, 소켓, 공유 메모리, 메시지 큐. 별도 메커니즘이 필요하다.
스레드
프로세스 내 실행 흐름의 단위. 같은 프로세스 내 스레드는 메모리를 공유한다.
프로세스
┌────────────────────────────┐
│ Code Segment │
│ Data Segment (공유) │
│ Heap (공유) │
├──────────┬─────────────────┤
│ Stack T1 │ Stack T2 (각각) │
└──────────┴─────────────────┘
공유: Code, Data, Heap, 파일 디스크립터
독립: Stack, 레지스터, PC(Program Counter)
스레드 간 통신이 프로세스 간보다 빠르다. 공유 메모리를 바로 접근하니까.
단점: 공유 자원 접근 시 동기화가 필요하다. 하나가 잘못되면 전체 프로세스에 영향.
컨텍스트 스위칭
CPU가 현재 실행 중인 프로세스/스레드를 멈추고 다른 것을 실행하는 과정.
프로세스 A 실행
↓
인터럽트 (타이머, I/O 완료 등)
↓
A의 상태 저장 (레지스터, PC, 스택 포인터 → PCB)
↓
B의 상태 복원
↓
프로세스 B 실행
PCB (Process Control Block): 프로세스 상태 정보를 저장하는 OS 자료구조.
스위칭 비용:
- 프로세스: 메모리 공간이 달라 TLB 플러시, 캐시 무효화 필요. 비용 높음.
- 스레드: 같은 프로세스 내라 메모리 공간 공유. 비용 낮음.
동시성 vs 병렬성
동시성 (Concurrency): 여러 작업이 논리적으로 동시에 진행되는 것. 실제로는 빠르게 번갈아 실행.
CPU 1개
시간→ A A A B B B A A B B
논리적으로는 A, B가 동시에 실행 중
병렬성 (Parallelism): 여러 작업이 물리적으로 동시에 실행. 여러 CPU 코어 필요.
CPU 코어 1: A A A A A A
CPU 코어 2: B B B B B B
실제로 동시에 실행
싱글 코어에서는 병렬성이 없다. 동시성만 있다.
Java의 스레드는 동시성을 제공하고, 멀티코어 환경에서 병렬성도 달성한다.
경쟁 조건 (Race Condition)
여러 스레드가 공유 자원에 동시에 접근해 결과가 실행 순서에 따라 달라지는 상황.
// 공유 변수
int count = 0;
// 스레드 A
count++; // read(0) → add → write(1)
// 스레드 B (동시에)
count++; // read(0) → add → write(1)
// 결과: 2가 돼야 하는데 1이 됨
count++는 원자적 연산이 아니다. 읽기 → 수정 → 쓰기 3단계가 분리된다.
뮤텍스 vs 세마포어
뮤텍스 (Mutex, Mutual Exclusion)
한 번에 하나의 스레드만 임계 구역에 진입할 수 있도록 하는 락.
Lock mutex = new ReentrantLock();
mutex.lock();
try {
count++; // 임계 구역 (Critical Section)
} finally {
mutex.unlock();
}
- 락을 획득한 스레드만 해제할 수 있다.
- Binary: 잠김/열림 두 상태.
세마포어 (Semaphore)
지정된 수의 스레드만 동시에 접근할 수 있도록 카운터를 사용.
Semaphore semaphore = new Semaphore(3); // 동시에 3개 허용
semaphore.acquire(); // 카운터 -1 (0이면 블로킹)
try {
useResource();
} finally {
semaphore.release(); // 카운터 +1
}
- 락을 획득하지 않은 스레드도 해제할 수 있다.
- 카운터가 1이면 뮤텍스처럼 동작한다 (Binary Semaphore).
차이: 뮤텍스는 소유권이 있다(락 획득자만 해제 가능). 세마포어는 소유권이 없다.
사용 케이스:
- 뮤텍스: 공유 변수 보호, 임계 구역
- 세마포어: DB 커넥션 풀 개수 제한, 동시 접속자 수 제한
데드락 (Deadlock)
두 개 이상의 스레드가 서로의 락을 기다리며 영원히 진행되지 않는 상태.
4가지 조건 (Coffman 조건)
1. 상호 배제 (Mutual Exclusion): 자원을 한 번에 하나의 스레드만 사용.
2. 점유와 대기 (Hold and Wait): 자원을 가진 채로 다른 자원을 기다림.
3. 비선점 (No Preemption): 다른 스레드의 자원을 강제로 빼앗을 수 없음.
4. 순환 대기 (Circular Wait): A→B→C→A처럼 순환하며 대기.
4가지를 모두 만족해야 데드락이 발생한다. 하나만 깨면 된다.
예방 방법
자원 획득 순서 고정 (순환 대기 제거):
// 항상 낮은 ID 먼저 락
public void transfer(Account from, Account to, int amount) {
Account first = from.getId() < to.getId() ? from : to;
Account second = from.getId() < to.getId() ? to : from;
synchronized (first) {
synchronized (second) {
from.debit(amount);
to.credit(amount);
}
}
}
타임아웃 설정 (점유와 대기 해소):
boolean acquired = lock.tryLock(5, TimeUnit.SECONDS);
if (!acquired) {
// 데드락 의심 → 포기하고 재시도
}
한 번에 모든 자원 획득 (점유와 대기 해소):
자원을 하나씩 획득하지 않고, 필요한 모든 자원을 한 번에 요청한다.
Java 동시성 유틸리티
// AtomicInteger: 원자적 연산
AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
count.incrementAndGet(); // count++ 원자적으로
// ConcurrentHashMap: 스레드 안전한 맵
ConcurrentHashMap<String, Integer> map = new ConcurrentHashMap<>();
// CountDownLatch: N개 스레드가 끝날 때까지 대기
CountDownLatch latch = new CountDownLatch(3);
// 각 스레드에서 latch.countDown()
latch.await(); // 카운트가 0이 될 때까지 블로킹
// ExecutorService: 스레드 풀
ExecutorService pool = Executors.newFixedThreadPool(8);
pool.submit(() -> processTask());
pool.shutdown();
면접에서 자주 나오는 질문
Q. 프로세스와 스레드의 차이는?
프로세스는 독립된 메모리 공간을 가지는 실행 단위다. 스레드는 프로세스 내의 실행 흐름으로, 같은 프로세스의 스레드끼리는 코드, 데이터, 힙을 공유하고 스택만 독립적으로 가진다. 스레드 간 통신이 더 빠르지만 공유 자원 동기화가 필요하다.
Q. 컨텍스트 스위칭이 뭐고 비용은?
CPU가 실행 중인 프로세스/스레드의 상태(레지스터, PC 등)를 저장하고 다른 것의 상태를 복원하는 과정이다. 프로세스 스위칭은 메모리 공간이 달라 TLB 플러시와 캐시 무효화가 발생해 비용이 높다. 스레드 스위칭은 같은 메모리 공간을 공유해 비용이 낮다.
Q. 뮤텍스와 세마포어의 차이는?
뮤텍스는 소유권이 있는 이진 락이다. 락을 획득한 스레드만 해제할 수 있다. 세마포어는 카운터 기반이고 소유권이 없다. 다른 스레드도 해제할 수 있고, 카운터로 동시 접근 수를 조절한다.
Q. 데드락 예방 방법은?
자원 획득 순서를 모든 스레드에서 동일하게 고정한다(순환 대기 제거). 락 획득에 타임아웃을 설정해 무한 대기를 방지한다. 필요한 자원을 한 번에 모두 획득하고 일부만 획득한 상태에서 대기하지 않는다.
Q. volatile 키워드는 무엇인가?
Java에서 멀티스레드 환경에 각 스레드가 변수를 CPU 캐시에 복사해 사용한다. volatile로 선언하면 항상 메인 메모리에서 읽고 쓴다. 가시성(Visibility)을 보장하지만 원자성은 보장하지 않는다. count++ 같은 복합 연산에는 여전히 synchronized나 AtomicInteger가 필요하다.