Multi Process

💡 Multi Process

Multi process란 2개 이상의 process가 동시에 실행되는 것을 말한다 동시에라는 말은 *동시성(concurrency)와 *병렬설(parallelism) 두가지를 의미함

💡 동시성(concurrency)

CPU가 1 core인 경우에, 여러 process를 짧은 시간동안 번갈아 가면서 연산을 하게 되는 시분할(time sharing system)으로 실행되는 것

💡 병렬설(parallelism)

CPU core가 여러개일 때, 각각의 core가 각각의 process를 연삼함으로써 process가 말 그대로 동시에 실행되는 것

멀티 프로세스란 2개 이상의 process가 동시에 실행되는 것 처럼 보이는것을 말한다 앞서 작성한 memory의 경우에 여러 process들이 각자의 주소를 갖은 공간을 차지하게 되는데

반면에 하나의 CPU는 매 순간 하나의 process만을 연산할 수 있다 하지만 CPU의 처리 속도가 굉장히 빠르기 때문에

여러 process들이 동시에 실행되는것으로 착각하게 만드는데 이처럼 CPU 작업시간을 여러 process들이 나누어 쓰는 시스템을 시분할(time sharing system)이라고 부른다

멀티 프로세스는 위의 그림과 같이 메모리에 프로세스가 올라갈 때 각각의 공간을 침범하지 못하도록 나뉘어 할당받게 된다

CPU, PC register

CPU는 PC(Prgram counter) register가 가르키고 있는 명령어를 읽어들여 연산을 진행함(위 그림 참고) pc register는 다음 실행 될 process의 주소값을 저장하고 있음

만약 process1, process2가 존재하고 process1이 현재 진행중이라면 process1의 code영역을 pc register가 가르키다
process2가 진행되면 process2의 code 영역을 가리키게 됨

Context

시분할(time sharing system) 시스템에서는 한 process가 매우 짧은 주기로 CPU를 점유하여 일정부분 명령을 수행하고,
다른 process에 CPU 점거를 넘겨주는 Context-switch가 일어나게 된다.
그렇다면 이전 프로세스의 어느 명령어까지 수행을 완료하였는지의 대한 정보가 필요하다.
해당 정보를 수집하고 있는 부분이 바로 context이다 context의 정보는 PCB에 저장을 하게 된다.

PCB

PCB는 운영 체제가 프로세스를 표현한 자료구조이다 PCB에는 중요 정보가 포함되어 있어 일반 사용자가 접근하지 못하도록 보호된 메모리에 저장된다

일부 운영 체제는 PCB를 커널 스택(그림 왼쪽 OS)에 저장하게 된다 그러한 이유는 보호를 받으면서도 비교적 접근하기가 편리하기 때문이다

추가로 PCB는 아래와 같은 정보가 포함되어 있다(그림 오른쪽)

• Process State: new, running, wating, halted등의 state
• Process Number: 해당 process의 id
• Process counter: 해당 process가 다음에 실행할 명령의 주소를 가리킴
• Registers: 컴퓨터 구조에 따라 다양한 수와 유형을 가진 register
• Memory limits: base rigister, limit register, page, table 또는 segment table등

Context switch

Context switch란 위에서도 짧게 설명했듯이 실행중인 프로세스에서 다른 프로세스로 CPU 제어권을 넘겨주는 것을 말한다
이 때 이전의 프로세스 상태를 *PCB에 저장하여 보관하고 새로운 프로세스의 PCB를 읽어 보관된 상태를 복구하는 작업이 이루어진다

Multi Thread

💡 Thread

Thread는 한 process의 가장 작은 동작의(function)의 단위이다

멀티스레딩은 단일 프로세스가 해당 프로세스의 "컨텍스트" 내에서 여러 코드 세그먼트(즉, 스레드)를 동시에 실행할 수 있도록 하는 실행 모델이다
스레드는 부모 프로세스 리소스를 공유하지만 독립적으로 실행되는 자식 프로세스라고 생각할 수 있다
단일 프로세스의 여러 스레드는 단일 CPU 시스템에서 CPU를 공유하거나(순수하게) 멀티프로세싱 시스템에서 병렬로 실행할 수 있다

Stack Memory & PC register

Thread는 Process의 code, data, stack, heap 영역을 공유 받는다 반면에 stack영역은 개별로 할당되게 되는데 그 이유는 위에 설명했던것과 같다(스레드는 한 process의 가장 작은 동작의 단위이다)

스레드가 함수를 호출하기 위해서는 인자 전달, return address저장, 함수 내 지역변수 저장등을 위한 독립적인 공간이 필요하게 되는데 그것이 바로 stack 메모리이다

또한 multi thread에선 각각의 PC register를 필요로 하는데 그 이유는 thread끼리도 *context swtich가 발생하기 때문이다

출처

• https://medium.com/@asishbm98/python-multithreading-and-multiprocessing-88f8079b4b72
• https://velog.io/@hoo00nn/%EB%A9%80%ED%8B%B0-%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%8A%A4%EC%99%80-%EB%A9%80%ED%8B%B0-%EC%8A%A4%EB%A0%88%EB%93%9C
• https://www.techtarget.com/whatis/definition/program-counter
• https://www.geeksforgeeks.org/process-control-block-in-os/
• https://setosa.io/ev/markov-chains/
• https://medium.com/@noueruzzaman/tug-of-war-multiprocessing-vs-multithreading-55341c1f2103
• https://www.geekboots.com/story/multiprocessing-vs-multithreading
• https://www.inflearn.com/course/%EA%B0%9C%EB%B0%9C%EC%9E%90-%EC%A0%84%EA%B3%B5%EB%A9%B4%EC%A0%91-cs-%EC%99%84%EC%A0%84%EC%A0%95%EB%B3%B5