[운영체제] 멀티프로세스와 멀티스레드

* 프로그램 & 프로세스

- 프로그램 : 어떤 작업을 위해 실행할 수 있는 파일

- 프로세스

1. 컴퓨터로부터 연속적으로 실행되고 있는 컴퓨터 프로그램

2. 메모리에 올라와 실행되고 있는 프로그램의 인스턴스(독립적인 개체)

3. 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위, 동적인 개념으로 실행된 프로그램

4. 독립된 메모리 영역

5. 기본적으로 프로세스는 최소 1개의 스레드를 가지고 있다. 

6. 한 프로세스가 다른 프로세스의 자원에 접근하려면 프로세스 간의 통신(IPC)을 사용해야 한다.(Ex 파이프, 파일, 소켓..)

 

* 프로그램과 프로세스의 관계

프로세스 = 프로그램 + 프로세스 제어 블록(PCB)

프로그램 = 프로세스 - 프로세스 제어 블록(PCB)

 

* 스레드

1. 프로세스 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위, 프로세스의 특정한 수행 경로, 프로세스가 할당받은 자원(운영체제로부터)을 이용하는 실행의 단위

2. 스레드는 프로세스 내에서 각각 스택만 따로 할당받고 코드, 데이터, 힙 영역은 공유한다.

3. 같은 프로세스 내에 있는 스레드들은 같은 힙 공간을 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.

4. 각각의 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만 힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다.

5. 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.(강한 연결 관계)

 

* 멀티 프로세스

멀티 프로세싱은 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여 각 프로세스가 하나의 작업(태스크)을 처리하도록 하는 것이다.(CPU bound)

 

* 멀티 프로세스의 장점

 - 여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면 그 자식 프로세스만 죽고 그 이상으로 다른 영향이 확산되지 않는다.(오류가 전이되지 않는다.) - (약한 연결 관계)

 

* 멀티 프로세스의 단점

 - Context Switching(문맥 교환) 오버헤드 발생

-> Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 많은 소요시간 발생

-> 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 프로세스 간의 공유하는 메모리가 없다. 따라서 Context Switching이 발생하면 캐시에 있는 모든 메모리를 리셋하고 다시 캐시의 정보를 불러와야 한다.

 

- 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)

-> 프로세스는 각각의 독립된 메모리 영역을 할당받았기 때문에 하나의 프로그램에 속하는 프로세스들간의 변수를 공유할 수 없다.

 

* 멀티 스레드

멀티 스레딩은 하나의 응용 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고 각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다. 윈도우, 리눅스 등 여러 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하고 있지만 멀티 스레딩을 기반으로 하고 있다. 웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.(I/O bound)

 

* 멀티 스레드의 장점

- 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.(자원의 효율성이 증대된다.)

- 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다. 또한 스레드 간의 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다. 따라서 시스템 처리량이 증가하고 처리 비용은 감소한다. 

-  스레드는 프로세스 내의 스택 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다. 따라서 프로그램의 응답시간이 단축된다.

 

* 멀티 스레드의 단점

- 주의 깊은 설계가 필요하고 디버깅이 까다롭다.

- 자원 공유의 문제가 발생하여 동기화를 해야 한다.

- 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다.

- 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.(오류가 전이된다.)