프로세스와 스레드2(멀티프로세싱, 멀티스레딩)
5. 멀티프로세싱
여러 개의 프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것.
하나 이상의 일을 병렬로 처리 가능. 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생하더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점.
멀티프로세싱은 하드웨어 관점으로 봤을 때 여러 개의 프로세서로 작업을 처리하는 것을 의미하기도 함.
아래는 소프트웨어적 과점에서 멀티프로세싱을 설명함.
웹 브라우저
웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있음.
- 브로우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등, 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당.
- 렌더러 프로세스: 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어
- 플로그인 프로세스: 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어
- GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어
IPC(Inter Process Communication)
멀티프로세스는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘인 IPC가 가능.
ex) 클라이언트는 데이터를 요청하고 서버는 클라이언트 요청에 응답하는 것.
IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있음.
이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어짐.
공유 메모리(shared memory)
여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어
프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것
| 프로세스 1 | 프로세스 2 |
| 공유 메모리 | |
기본적으로는 각 프로세스의 메모리를 다른 프로세스가 접근할 수 없으나,
공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있음.
IPC 방식 중 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠름. 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요.
참고로 하드웨어 관점에서 공유 메모리는 CPU가 접근할 수 있는 큰 랜덤 접근 메모리인 RAM을 가리키기도 함.
파일
파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터. 이를 기반으로 프로세스 간 통신을 함.
소켓
동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터(TCP, UDP)
익명 파이프(unnamed pipe)
프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며,
단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식
부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있으며 다른 네트워크상에서는 사용이 불가능
명명된 파이프(named pipe)
파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프.
클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있음.
컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신할 수 있음.
보통 서버용 파이프와 클라리언트용 파이프로 구분해서 작동
하나의 인스턴스를 열거나 여러 개의 인스턴스를 기반으로 통신.
메시지 큐(queue)
메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것.
커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해 사용 방법이 매우 직관적이고 간단
다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있음.
공유 메모리를 통해 IPC를 구현할 때 쓰기 및 읽기 빈도가 높으면 동기화 때문에 기능을 구현하는 것이 매우 복잡해짐.
이때 대안으로 메시지 큐를 사용하기도 함.
6. 스레드와 멀티스레딩
스레드
프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있음.
코드, 데이터. 스택, 힙을 각각 생성하는 프로세스와는 달리 스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유
그 외의 영역은 각각 생성됨.
멀티스레딩
프로세스 내 작업을 어려 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법, 스레드끼리 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높음.
ex) 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며 한 스레드가 중단(blocked)되어도 다른 스레드는 실행(running) 성태일 수 있기 때문에 빠른 처리가 가능, 동시성에도 큰 장점.
그러나 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 스레드로 이루어져 있는 프로세스에 영향을 줄 수 있음.
동시성: 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것
7. 공유 자원과 임계 영역
공유 자원(shared resource)
시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수
이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)라고 함.
동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태.
임계 영역(critical section)
둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역.
임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지.
이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족함. 이 방법의 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)
상호 배제(muntual exclusion): 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
한정 대기(bounded waiting): 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안 된다.
융통성(progress): 만약 어떠한 프로세스도 임계 영역을 사용하지 않는다면 임계 영역 외부의 어떠한 프로세스도 들어갈 수 있으며 이때 프로세스끼리 서로 방해하지 않는다.
뮤텍스(mutex)
프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체.
잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그와 반대.
또한 뮤텍스는 잠근 또는 잠근 해제라는 상태만을 가짐.
세마포어(semaphore)
일반화된 뮤텍스. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수) 및 signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리.
wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수.
프로세스나 스레드가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행, 공유 자원을 해제하면 signal() 작업을 수행.
세마포어에서는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때, 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없음.
바이너리 세마포어
0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어.
구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만 엄밀히 말하면 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호 배제가 일어나는 '잠금 메커니즘', 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 메커니즘'.
신호 메커니즘의 예) 휴대폰에서 노래를 듣다가 전화가 오면 노래가 중지되고 통화 처리 작업에 관한 인터페이스가 등장.
카운팅 세마포어
여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용.
모니터
둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록
공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공.
모니터 큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리. 모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬움.
모니터는 상호 배제는 자동인 반면 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 존재.\
8. 교착 상태(Deadlock)
두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태.
프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 프로세스 A가 점유하고 있는 자원을 요청할 때 발생.
교착상태의 원인
- 상호 배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능
- 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
- 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
- 환형 대기: 프로세스들이 서로의 자원을 요구하는 상황
교착 상태의 해결 방법
1. 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
2. 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 은행원 알고리즘 사용
3. 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 탐색, 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지움.
4. 교착 상태는 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료.
현대 응용체제는 이 방법을 채택함. ex) 프로세스 '응답 없음' 알림
은행원 알고리즘(The Banker's Algorithm): 총자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘
'면접을 위한 CS 전공지식 노트'를 기반으로 작성한 글입니다.