서론
프로그래밍 언어라는 것은 천차만별 이지만
프로그램의 생애 주기나 프로세스 작동 방식은 크게 다르지 않아서
그래도 나름 중급 개발자로 있었던 적이 있었기에
기본적인 사항에 대해서 복기를 해보고자 한다.
애석하게도 Velog라는 곳은
잘못 작성된 내용이 있는 글을 지적하러 오는
그러한 사람들의 유입조차도 없는
갈라파고스라서 공허한 메아리가 될 수도 있겠지만
자기 만족 차원에서라도 적는다.
프로그램 에 대한 이해
프로그래밍 이라는 것은
최대한 간단하게 설명하면
명령에 대한 작업을 수행 하는 것이라 볼 수 있다.
그리고 프로그램은 그 작업을 수행하는 대상이다.
대표적인 예시가 계산기이다.
계산기가 하는 일도 하나의 프로그램이라 볼 수 있겠다.
컴퓨터의 시초인 애니악이 하던 일도 계산이었다.중국어가 표의 문자라는 것을 염두해두고
중국어로 프로그램을 계산 (jisuan) 혹은
정해진 순서 라는 뜻으로 (chengxv)라고 하는데
프로그램의 어원인 Programa 는
'절차'나 '순서' 혹은 '계획'의 의미를 가지고 있다.요지는 프로그램은 명령에 대한 결과를 절차나 순서에 따라
수행한다 라는 의미이다.
여기까지는 보통 컴퓨터 공학 개론에서 설명하는 설명이고
이를 기능적으로 설명하자면
프로그램은 하나의 작업(태스크) 혹은 복수의 작업의 집합체이다.
어떤 프로그램이든 처음에 관행적으로 시작하는
Hello World 를 의사코드 (pseudocode)로 작성하면 이렇다.
의사코드 (pseudocode)
사람이 이해할 수 있게 알고리즘을 논리적으로 표현한 코드Hello World 를 출력하는 기능 () { Hello World! 를 출력한다; 결과값 반환; }
조금더 실무적으로 설명하면
1. 입력을 받는다. [1] 과 [2]라는 값을 입력 // 변수 a 에 1 을 대입하고 변수 b 에 2 를 대입하는 과정은 생략 2. 조건을 확인한다. 조건 : a 보다 b 가 큰가 ? 3. 조건에 부합하면 반복 혹은 단일 작업을 수행한다. (a 보다 b 가 크다) { // If 절 If 조건에 부합하면 a 를 반환하는 작업을 한다. } (a 가 b 보다 작다) { // Else 절 Else 조건에 부합하면 b 를 반환하는 작업을 한다. } 4. 처리 결과를 반환한다. a 가 b 보다 작으므로 b 를 반환한다. 5. 반환 값을 넘겨 받은 다른 프로그램이 기능을 수행한다. // 내부의 세부적인 코드 구현은 생략 (반환 받은 값에 10을 곱해주는 프로그램을 수행) 최종 결과 = 20
상기의 내용이 단순해서 별 것 아닌 것 같지만
실제로는 이와 같은 루틴으로 사용자에 입력을 받아서 동작을 수행하여
데이터베이스에 값을 저장하고 처리된 결과를 보여주는 것과
처리된 결과를 이전 상태로 복구 시키는 일련의 작업을 수행 했다.
여기서 추가 된다면 예외 처리가 더 추가 될 뿐 ...
이러한 일련의 방식을 절차 (Procedure)라고 하며
정해진 절차에 의해서 프로그램을 처리하는 방식을
절차 지항 프로그래밍 (Procedural Programming)라고 한다.
기본적으로 객체 지항 프로그램도 수행 자체는 절차를 지향한다.
혹여 그렇게나 잘 아는 사람이 왜 여기서 이러고 있느냐 묻는다면
프로그램 로직 구현 보다 더 골치아픈게 장애 처리와 예외 사항에 대한 처리였다.
이해하기 쉽게 비유를 들자면
온라인 쇼핑몰에서 물품을 주문하는 웹사이트를 개발해 줬는데
배송 트럭의 타이어가 펑크가 나서 배송이 되고 있지 않는 상황을
해결해야 하고
해당 트럭 운전수도 아니고 개발자가 ??빨강색 머플러를 주문했는데 분홍색 머플러를 샀었어야 했다고
부가 설명하자면 본인 눈에 그 때 뭐가 잘못 씌어서
빨간색 머플러를 보고 분홍색 머플러라고 생각하고 머플러를 샀는데
실물을 받아보니 본인이 산 머플러가 분홍색이 아니었구나 하고
물건을 반품 시키는 상황이미 배송이 완료된 물품을 다시 반품 받아서 재입고 시키고
카드 승인 내역과 실적까지 원상복구 시켜 주는 과정이었다.
그래도 현물로 보상 해 달라고 안 한게 어디야 ...
여타 개발자 유튜버들이 흔히 프로그램을 짤 때는
하나의 함수는 하나의 작업을 수행하게 짜야 한다라고 가르치는데
예외 처리도 모두 하나 하나 기능으로 본다면
실질적인 업무 하나에 기능이 너댓개는 달려야 할 지경이라
재사용성 생각하고 모듈을 세분화하면 디버깅만 힘들어지곤 했다.
적어도 이번에 이직하려는 분야는 그러한 불상사가 없기를 바란다.
맺힌게 많아서 잡설이 길어졌는데 꼭 말하고 싶었다.
본론
이제부터나 본론이다.
기본적인 프로그램의 프로세스 설명은 끝났고
아는 선에서 조금 더 설명을 하고자 한다.
프로그램은 단순하게 설명하면 실행파일이다.
(.exe 확장자가 붙은 실행 파일 등을 의미함)
경우에 따라 다르지만 하나의 프로그램은 하나의 업무를 수행한다.Excel 은 스프레드 시트를 작성하는 프로그램이지
Outlook 처럼 메일을 보내지 않는다.
반대로 Outlook 은 메일을 주고 받을 수 있는 프로그램이지
Outlook 에서 스프레드 시트를 작성해주지는 않는다.
만약 메일도 보내주고 문서 작업도 도와주고 여러 가지 업무를
병행하는 것이 있다고 하면 그것은 프로그램이라기 보다는
EAI (Enterprise Application Integration / 기업 애플리케이션 통합)
라고 볼 수 있으며 EAI의 대표적인 사례는
ERP (Enterprise Resource Planning / 전사적 자원 관리) 시스템 을 예시로 들 수 있겠다.
프로세스 (Process) 와 쓰레드 (Thread)
전에는 프로그램 안에 프로세스가 포함 되는 줄 알고 있었다.
아마 기술 블로그 작성을 하지 않았다면
계속 그렇게 알고 있었을 것 같은데
결과적으로 프로세스는 실행 파일을 통해 프로그램을 실행하는 것을 말한다.
프로세스 (Process) 란 ?
프로세스 (Process)는 작업의 단위이다.
실행 파일을 실행 시켜서 메모리에 로드된 독자적인 인스턴스이고
운영체제로 부터 자원을 할당 받는 작업의 단위이다.
프로세스는 각각 독립된 메모리 영역
(Code, Data, Stack, Heap의 구조)을 할당받으며
기본적으로 프로세스당 최소 1개의 스레드(메인 스레드)를 가지고 있다.
그렇다면 쓰레드란 무엇인가?
쓰레드 (Thread)는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는
실행의 단위 혹은 흐름의 단위이다.
스레드는 프로세스 내에서 각각 Stack만 따로 할당받고
Code, Data, Heap 영역은 공유한다.
동일 프로세스 내 에서라고 한다면 스레드는 프로세스 내의 주소 공간이나 자원들 (힙 공간 등)을 스레드끼리 공유하면서 실행된다.
프로세스와 쓰레드의 차이점은 무엇인가?
프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
반면 스레드는 별도의 레지스터와 스택을 갖고 있지만,
힙 메모리는 서로 읽고 쓸 수 있다. 때문에 한 스레드가 프로세스 자원을 변경하면, 다른 이웃 스레드(sibling thread)도 그 변경 결과를 즉시 볼 수 있다.
멀티 프로세스와 멀티 쓰레드의 차이
멀티 프로세싱이란 ?
하나의 응용프로그램을 여러 개의 프로세스로 구성하여
각 프로세스가 하나의 작업 (태스크)을 처리하도록 하는 것이다.
멀티 프로세싱의 장점
여러 개의 자식 프로세스 중 하나에 문제가 발생하면
그 자식 프로세스만 죽는 것 이상으로 다른 영향이 확산되지 않는다.
멀티 프로세싱의 단점
Context Switching에서의 오버헤드
프로세스는 독립된 메모리 영역을 할당 받기 때문에
공유 메모리가 없어, Context Switching가 발생하면
캐쉬에 있는 모든 데이터를 모두 리셋하고 다시 캐쉬 정보를 불러와야 한다.
용어 설명 [ Context Switching란 ? ]
CPU에서 여러 프로세스를 돌면서 작업을 처리하는 과정 프로세스가 동작과 대기를 반복하면서 다음 프로세스가 실행될 때 현재 프로세스의 상태를 보관하고 다음 프로세스의 이전 상태를 복구하는 작업
프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법(IPC)
프로세스는 프로그램에 속하는 프로세스들 사이의
변수를 공유할 수 없다.
멀티 쓰레딩이란 ?
하나의 응용프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하고
각 스레드로 하여금 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다.
윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하지만 기본적으로는 멀티 스레딩이다.웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램이다.
멀티 쓰레딩의 장점
시스템 콜이 줄고 스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해진다.
Context Switching이 빠르다.
Stack 영역을 제외한 모든 메모리를 공유하기 때문에 통신의 부담이 적다.
멀티 쓰레딩의 단점
디버깅이 까다롭다.
또한 단일 프로세스 시스템의 경우 하나 마나다른 프로세스에서 쓰레드를 제어할 수 없다.
멀티 쓰레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다. (동기화 문제)
하나의 쓰레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받는다.
이것 때문에 현업에 있을 때 애를 많이 먹었다.
디버깅 힘들다는 점과 쓰레드 하나가 잘못 되면 연쇄적으로 문제 발생
그럼에도 불구하고 멀티 프로세스 대신 멀티 스레드를 사용하는 이유 ?
우선 짚고 넘어갈 점
멀티 프로세스는 프로그램을 여러 개 실행하는 개념이고
Excel 실행하고 또 Excel 실행하는 것을 생각해 보면 이해가 빠름멀티 쓰레드는 하나의 프로그램 안에서 여러 작업을 해결하는 것이다.
자원의 효율성 증대
멀티 스레드로 실행할 경우
시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.Context Switching 은
CPU 레지스터 교체 뿐만 아니라
RAM과 CPU 사이의 캐쉬 메모리에 대한
데이터까지 초기화되므로 오버헤드가 크다.
처리 비용 감소 및 응답 시간 단축
프로세스 간의 통신(IPC)보다 스레드 간의 통신의 비용이 적다.스레드는 모든 메모리를 공유하기 때문에 전환 속도가 빠르다.
다만 전역 변수(데이터 세그먼트)를 사용하므로
충돌 문제가 발생할 수 있다.
결론
멀티 프로세싱 과 쓰레딩을 정리하면서 느낀 점
멀티 프로세싱과 멀티 쓰레딩은 명확히 구분하지 못하고
써왔기 때문에 최근에 이 둘의 차이점을 공부하고 정리 하다 보니
이제서야 이해가 됬다.
더불어 느끼는 것은 현업에서 일하고 있을 때
그렇게 본인을 괴롭히던 Cross Thread 문제가 왜 발생했었는지
실컷 멀티 쓰레딩을 사용해 오면서 사용법도 모르고
그저 남발했었다는 사실을 깨달을 수 있었다.
본래 작성하고 싶었던 것
원래 원래 적고 싶었던 것은 재귀 호출과
무한 반복 루프를 이용한 프로그래밍을 설명하려 한 것이었는데 ...
무한 반복이라는 것이 프로그래밍 하는 입장에서는 무서운 단어이지만
경우에 따라서는 의도적으로 무한 반복을 야기 시켜
자동화 프로그램을 개발하기도 한다.
24 시간 무인으로 단순 작업을 하는 설비에서
어떠한 값을 지속적으로 받아오는 경우 한번 실행되고 끝난다고 하면
매번 사람이 가서 프로그램을 실행 시켜 줄 수 없는 입장이니 말이다.
대신 예외 상황을 만나게 되어 반복적인 업무를 처리할 수 없는
상황에서는 문제가 해결 되기 까지 프로세스를 수행하지 않고 대기하거나
사람의 도움이 없이는 도저히 해결될 여지가 없는
불가항력적인 상황이 발생한 경우 계속 메모리를 점유하고 있으면
흔히들 이야기하는 out of memory 문제가 발생할 수 있으니
그런 경우는 프로그램 자체를 강제 종료 시킬 수 있게 처리하는 것
마무리를 하면서
하고 싶은 이야기를 장황하게 적다 보니 내용이 길어져서
재귀호출과 반복 실행되는 프로그램에 대한 내용을 적지는 못했지만
그러한 무한 반복 프로그램을 짜게 될 일이 앞으로 얼마나 있을까?
그 쪽 업계로 다시 가지 않는 한 아마 앞으로 거의 없을 것이다.
멀티 프로세싱이랑 쓰레딩을 이해하게 된 것이 더 의미가 있을 것이다.
