컴퓨터 공학 기초

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이번에는 컴퓨터 공학의 기초에 대해 블로깅을 진행해보려고 한다.

컴퓨터 구조

컴퓨터는 단순하게 말하자면 하드웨어와 소프트웨어가 합쳐진 형태다. 하드웨어란 전자 회로 및 기계 장치로 되어 있어 입출력 장치, 중앙처리장치(CPU), 기억장치 등으로 구성되어 있으며, 소프트웨어는 하드웨어를 제어하는 작업을 수행하는 프로그램이다.

컴퓨터의 기본 구조

입력 장치

입력장치는 컴퓨터가 처리할 수 있는 형태로 데이터와 명령을 받아들이는 물리적인 장치다. 기본적으로는 키보드와 마우스, 스캐너와 타블렛 등 컴퓨터에 연결하여 무언가를 입력할 수 있는 장치를 입력 장치라고 볼 수 있다.

출력 장치

출력장치는 처리된 데이터를 사람이 이해할 수 있는 형태로 출력하는 물리적인 장치를 의미한다. 가장 대표적인 출력장치는 모니터로, 컴퓨터에서 나오는 글자, 그림 등의 결과를 화면에 보여주는 장치다.

중앙처리장치

CPU의 내부 구성은 크게 산술/논리 연산 장치(ALU)와 제어 장치, 레지스터로 구성되어 있다. 산술은 덧셈을 수행하는 것이고, 제어 장치는 프로그램에 따라 명령과 제어 신호를 생성하여 각종 장치의 동작을 제어하는 것이다. 그리고 레지스터는 CPU의 내부 메모리로서 CPU에서 사용하는 데이터를 일시적으로 저장하는 장소다.

저장 장치

저장장치는 데이터나 프로그램을 보관하기 위한 일차 기억 장치인 주 기억 장치(Memory)와 주 기억 장치를 보조하기 위한 디스크와 씨디 같은 보조 기억 장치가 존재한다.

프로그램 수행을 위해 필요한 정보에 비해 중앙처리장치 내에 구비되어 있는 레지스터의 용량이 너무 작기 때문에, 주 기억 장치는 주로 정보를 저장해 두었다가 필요할 때 읽어들이는 저장소로 사용이 된다. 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM이 존재한다.

그리고 보조 기억 장치는 그런 주 기억 장치를 보조하기 때문에 주 기억 장치에 비해 기억된 내용을 읽는 속도는 느리지만 대용량의 기억이 가능하며 현재 사용하지 않는 프로그램은 보조 기억 장치에 저장이 된다. 보조 기억 장치의 종류로는 플로피 디스크와 하드 디스크 같은 자기 디스크가 존재하고, CD와 DVD 같은 광 디스크, 그리고 USB와 SSD 같은 플래쉬 메모리가 존재한다.

CPU

폰 노이만이 제안한 폰 노이만 구조는, 중앙 처리 장치(CPU)가 존재하고 이를 통해서 연산을 수행하게 되는 구조이며 이 CPU는 각종 연산을 수행하고 기억장치에 기억되어 있는 명령어들을 수행하는 컴퓨터 시스템을 이루는 핵심 부품이다.

산술/논리 연산 장치 (Arithmetic Logic Unit, ALU)

산술논리연산장치(ALU: Arithmetic Logic Unit)는 산술적인 연산과 논리적인 연산을 담당하는 장치로 가산기, 보수기, 누산기, 기억 레지스터, 데이터 레지스터 등으로 구성된다. 캐시나 메모리로부터 읽어 온 데이터는 레지스터(Register)에 저장되며, ALU는 레지스터에 저장된 데이터를 이용하여 덧셈, 곰셈 등과 같은 산술 연산을 수행한다. 부동소숫연산장치(FPU)와 정수연산장치, 논리연산장치 등이 있다.

레지스터(Register)

레지스터(Register)는 중앙처리장치(CPU) 내부에 있는 기억장치다. 주로 산술 연산 논리장치에 의해 사용되는 범용 레지스터(General-Purpose Register)와 PC 등 특수 목적에 사용되는 전용 레지스터(Dedicated-Purpose Register)로 구분할 수 있다.

레지스터의 종류는 IR(Instruction Register), PC(Program Counter), AC(Accumulator)가 있다.

IR (Instruction Register) : 현재 수행 중에 있는 명령어 부호를 저장하고 있는 레지스터
PC (Program Counter) : 명령이 저장된 메모리의 주소를 가리키는 레지스터
AC (Accumulator) : 산술 및 논리 연산의 결과를 임시로 기억하는 레지스터

제어장치(Control Unit, CU)

제어장치는 CPU가 자신 및 주변기기들을 컨트롤하는 장치로, 프로그램의 수행 순서를 제어하는 프로그램 계수기(program counter), 현재 수행중인 명령어의 내용을 임시 기억하는 명령 레지스터(instruction register), 명령 레지스터에 수록된 명령을 해독하여 수행될 장치에 제어신호를 보내는 명령해독기(instruction decoder)로 이루어져 있다.

제어 장치 구현의 방식은 고정 배선 제어(Hardwired) 방식과 Micro Program 방식이 있다.

Hardwired	Micro Program
제어신호가 Hardwired Circuit 에 의해서 생성 되도록 하드웨어 구성하며 상태계수기와 PLA(Programmable Logic Array ) 회로로 구성	발생 가능한 제어 신호들의 조합을 미리 구성하여 ROM 에 저장했다가 필요 시 신호를 발생시키는 Software 방식
고속 처리, 고가	하드웨어 방식에 비해 속도도 낮고 가격도 저렴
RISC 시스템에 적용	CISC 에 적용

CPU의 기능

CPU의 기능은 명령어와 데이터에 관련이 있다. 명령어 인출 및 해독은 모든 명령어들에 대하여 공통적으로 수행하며 기억 장치로부터 명령어를 읽어온다. 그리고 데이터 인출 및 처리, 쓰기와 같은 것들은 명령어에 따라 필요할 때만 수행한다. 이 명령어 및 명령어 수행 과정과 처리 방식은 CPU에서 중요한 부분을 차지하고 있다.

명령어

명령어는 시스템이 특정 동작을 수행시키는 작은 단위다. 명령어는 동작코드(Op-code : Operational Code)와 오퍼랜드(Operand)로 구성되어 있다.

• 동작 코드(Op-code): 각 명령어의 실행 동작을 구분하여 표현함.
• 오퍼랜드(Operand): 명령어의 실행에 필요한 자료나 실제 자료의 저장 위치를 의미함.

명령어 수행 과정

• 읽기(Fetch Instruction, FI): 메모리에서 명령을 가져옴.
• 해석(Decode Instruction, DI): 명령을 해석함.
• 실행(Execute Instruction, EI): 명령을 수행함.
• 기록(Write Back, WB): 수행한 결과를 기록함.

명령어 처리 방식

명령어 처리 방식에는 RISC와 CISC가 있다. RISC(Reduced Instruction Set Computer)는 컴퓨터 내부적으로 사용하는 명령어 세트를 단순화 시켜서 처리하는 형태의 구조이며, 단순한 명령을 조합해서 하나의 기능을 수행하게 된다. CISC(Complex Instruction Set Computer)는 하나의 기능에 해당하는 하나의 명령이 있는 개념이다.

CISC

• 여러 사이클로 명령어를 처리함.
• 많은 명령어가 메모리를 참조하는 처리 방식.
• 파이프라이닝의 사용이 어려움.
• 복잡한 마이크로 프로그램 구조를 갖고 있음.

RISC

• 하나의 사이클로 명령어를 처리함.
• 메모리 Load / Store 명령만 처리하는 방식.
• 파이프라이닝, 슈퍼스칼라의 사용이 가능함.
• 복잡한 컴파일러 구조를 갖고 있음.

Memory

일반적으로 메모리라고 하면 기억이라는 개념이다. 컴퓨터에서 말하는 메모리는 기억소자 즉 반도체를 의미하는데, 반도체의 특징을 이용해서 임시적인 내용들을 기억하게 만든다.

메모리 분류별 특성

기억장소라는 개념에서 확장하면 저장 장소라는 개념의 하드디스크, CD/DVD, USB 저장장치와 같은 보조 기억장치까지를 의미한다. 이런 보조 기억장치와 메모리의 차이는 “휘발성”인데, 메모리는 시스템이 활성화 된 상태에서 그 값을 기억하고 있지만 시스템이 꺼지게 되면(ShutDown) 지워지게 된다. 그에 비해 보조 기억장치는 시스템이 꺼져도 기억하고 있는 값이 휘발되지 않는다. 또한 저장/읽기 속도 면에서 메모리와 보조 기억장치는 현저하게 차이가 난다.

메모리 성능

메모리의 속도는 메모리가 CPU와 데이터를 주고받는 시간을 말한다. 이를 액세스라 부르며 단위는 ns(nano-second)로써 메모리 속도의 기준이 된다. 메모리의 성능은 속도가 빠를 수록 좋다고 말할수 있다.

• 리프레시 시간
  메모리는 일정 시간마다 재충전을 해줘야 하는데, 그렇지 않으면 정보는 사라지게 된다. 이 일정기간을 리프레시 시간이라고 한다.
• 메모리 액세스 시간
  메모리 액세스 시간은 데이터를 읽어오라는 명령을 받고 데이터를 읽기 시작하기까지의 시간을 말한다. CPU에서 명령어를 처리할 때 명령어가 갖는 주소를 보낸다. 그 주소에 해당하는 값을 가져 오게 되는데 걸리는 시간이 액세스 시간이다.
• 사이클 시간(리프레시 시간 + 메모리 액세스 시간)
  사이클 시간은 메모리 작업이 완료와 동시에 대기 신호를 내놓은 후 다음 신호를 받을 준비가 되었다는 신호를 주기까지의 시간을 의미한다.

메모리 종류

메모리 중 주 기억 장치의 종류로는 RAM과 ROM가, 보조 기억 장치의 종류로는 자기 디스크, 광디스크, 플래시 메모리가 있다.

주기억장치

RAM(Random Access Memory)
컴퓨터의 전원이 끊어지면 내용이 휘발되어 보조 저장 장치가 반드시 필요하다. RAM의 크기는 프로그램의 수행 속도에 영향을 준다. 또한 CPU에서 직접 접근이 가능한 유일한 저장 장치다.

RAM의 종류에는 SRAM과 DRAM이 있다. SRAM은 리프레쉬가 필요 없고 전력 소모가 적으나 비싸며, DRAM은 리프레쉬가 필요하고 SRAM보다 저가이며 많이 사용되는 편이다.

ROM(Read Only Memory)
대부분 읽을 수만 있는 장치로 구성되어 있으며 전원이 끊겨도 내용이 보존이 된다.

보조기억장치

자기 디스크
원판 표면의 철 입자의 방향(N/S극)으로 0과 1을 표현한다. 디스크 드라이브는 자기 디스크로부터 데이터를 읽는 주변 장치를 의미한다.

광 디스크
광 디스크(optical disc, OD)는 빛의 반사를 이용하여 자료를 읽어내는 저장 매체다.

플래시 메모리
전자적으로 데이터를 지우고 쓸 수 있는 비휘발성 메모리로 충격에 강하여 휴대용 기기에 널리 쓰인다.

캐시 메모리(Cache Memory)

캐시 메모리는 CPU 내 또는 외에 존재하는 메모리로써, 메인 메모리와 CPU 간의 데이터 속도 향상을 위한 중간 버퍼 역할을 한다.

여기서 ‘Cache’라는 의미는 보관이나 저장의 의미를 가지고 있다. 캐시 메모리는 이러한 역할을 하는 물리적 장치를 말한다.

캐시 메모리의 성능 결정 요소

캐시 메모리는 메인 메모리의 일정 블록 사이즈의 데이터를 담아 두었다가 CPU에 워드 사이즈 만큼의 데이터를 전송하게 된다. 이때 이 사이즈들이 캐시의 성능에 영향을 미치게 되는데. 블록사이즈나 워드 사이즈가 상대적으로 크다면 그만큼 Cache의 Hit Ratio율이 높아진다.

CPU가 필요한 데이터가 Cache Memory 내에 들어와 있으면 ‘Cache Hit’라 하고 접근하고자 하는 데이터가 없을 경우를 ‘Cache Miss’라 한다. 원하는 데이터가 Cache에 있을 확률을 ‘Hit Ratio’라 한다.

요소	내용
Cache 크기	Cache Memory의 Size의 크기가 크면 Hit Ratio율과 반비례 관계
인출 방식 (Fetch Algorithm)	요구 인출(Demand Fetch): 필요 시 요구하여 인출하는 방식 선 인출(Pre-Fetch): 예상되는 데이터를 미리 인출하는 방식
쓰기 정책 (Write Policy)	Write-Through: 주기억 장치와 캐시에 동시에 쓰는 방식. Cache와 메모리의 내용이 항상 일치하며 구성 방법이 단순하다. Write-Back: 데이터 변경만 캐시에 기록하는 방식. 구성방법이 복잡하다.
교체(Replace) 알고리즘	Cache Miss 발생시 기존 메모리와 교체하는 방식. FIFO, LRU, LFU, Random, Optimal Belady’s MIN(향후 가장참조 되지 않을 블록을 교체) 등이 있다.
사상(Mapping) 기법	주기억장치의 블록을 적재할 캐시 내의 위치를 지정하는 방법 직접 매핑(direct mapping), 어소시에이티브 매핑(associative mapping), 셋 어소시에이티브 매핑(set associative mapping) 등이 있다.

운영체제

하드웨어는 단지 그 하드웨어의 특정 기능을 수행 할 뿐인데, 이 컴퓨터라는 하드웨어 상에 프로그램들이 동작되려면 이 하드웨어들과 적절하게 데이터틀 주고 받으며 논리적인 일들을 해야만한다.

그 하드웨어에게 일을 시키는 주체가 바로 운영체제다.

운영체제의 목적 및 기능

운영체제의 목적은 처리능력 향상, 사용 가능도 향상, 신뢰도 향상, 반환 시간 단축 등에 있으며, 이런 운영체제의 기능은 여러 가지가 있다.

• 프로세서, 기억장치, 입출력장치, 파일 및 정보 등의 자원을 관리함.
• 자원을 효율적으로 관리하기 위해 자원의 스케줄링 기능을 제공함. 스케줄링이란 어떤 자원을 누가, 언제, 어떤 방식으로 사용할지를 결정해주는 것을 뜻함.
• 사용자와 시스템 간의 편리한 인터페이스를 제공함.
• 시스템의 각종 하드웨어와 네트워크를 관리하고 제어함.

운영 체제의 시스템 자원 관리

응용 프로그램은 컴퓨터를 이용해 다양한 작업을 하는 것이 목적이고, 운영체제는 응용 프로그램이 하드웨어에게 일을 시킬 수 있도록 도와준다. 하드웨어를 구성하는 일을 하는 CPU, 자료를 저장하는 RAM, 디스크 등의 시스템 자원을 관리하는 주체가 바로 운영체제다.

• 프로세스 관리(CPU)
• 메모리 관리
• I/O(입출력) 관리 (디스크, 네트워크 등)

응용 프로그램 관리

악의적인 목적을 가진 프로그램이 디스크의 모든 민감한 정보에 접근하거나, 내 스마트폰의 특정 앱이 카메라를 아무 때나 실행해서 촬영한다고 생각하면 끔찍하다. 따라서, 응용 프로그램은 권한에 대한 관리가 필요하며, 여러 사람이 하나의 기기를 사용하는 경우에는 사용자를 관리하는 일도 매우 중요하다.

응용 프로그램

응용 프로그램이 운영체제를 통해 컴퓨터에게 일을 시키려면, 컴퓨터를 조작할 수 있는 권한을 운영체제로부터 부여받아야 한다. 응용 프로그램이 운영체제와 소통하기 위해서는, 운영체제가 응용 프로그램을 위해 인터페이스(API)를 제공해야 한다. 응용 프로그램이 시스템 자원을 사용할 수 있도록, 운영체제 차원에서 다양한 함수를 제공하는 것을 시스템 콜(System call)이라고 부른다.

프로세스

프로세스는 프로그램이 실행 중인 상태로 특정 메모리 공간에 프로그램의 코드가 적재되고 CPU 가 해당 명령어를 하나씩 수행하고 있는 상태를 의미한다. 운영 체제에서는 프로세스를 사용하여 프로그램을 수행하게 되는데 실행 중인 하나의 애플리케이션을 프로세스라고 부른다. 예를 들어 Chrome 브라우저를 두 개 실행하면, 두 개의 프로세스가 생성된다. 이렇게 하나의 애플리케이션은 여러 프로세스(다중 프로세스)를 만들기도한다.

프로세스 구성 요소

프로세스의 구조체에는 프로세스마다 독립적으로 관리해야 하는 유저 메모리 영역이나 프로세스가 사용하는 각종 객체들의 포인터를 관리하는 핸들 테이블을 가지고 있다.

• 유저 메모리 영역 관리(Virtual Address Descriptors)
  프로세스 별로 독립된 영역을 가지게 되는 곳은 유저 메모리 공간이다. 커널 메모리 공간의 경우 모든 프로세스가 공유하여 사용하고 있다. 프로세스 별로 독립적인 유저 메모리 영역을 관리하기 위해서 VAD(Virtual Address Descriptors)라는 관리 테이블이 존재한다.
• 핸들 테이블(Handle Table)
  프로세스에서 사용하는 모든 핸들에 대한 커널 객체 포인터 정보를 배열 형태로 가지고 있는 공간이다. 프로세스가 종료하게 될 때 이 테이블의 정보를 참고하여 이 프로세서에서 사용하고 있는 모든 커널 객체를 자동으로 반환한다.
• 독립적인 메모리 공간
  페이징 기법을 이용하여 프로세스마다 별도의 고유한 메모리를 사용할 수 있게 하고 있다(윈도우의 경우).

프로세스 특징

프로세스의 특징으로는 자원 소유의 단위와 디스패칭의 단위가 있다.

• 자원 소유의 단위
  각각의 프로세스는 자신의 실행 이미지 로드와 실행에 필요한 추가적인 메모리 공간을 가지고 있어야한다. 이것은 각 프로세스마다 구별되어야 하며 해당 프로세스가 접근하고자 하는 파일, I/O 장치들에 대해서 또한 프로세서 단위로 할당 받아 관리되어야 한다.
• 디스패칭의 단위
  운영체제는 여러 개의 프로세스가 병렬적으로 실행되게 하기 위해서 CPU 의 사용 시간을 각각의 프로세스에 골고루 나누어 주어야한다. 하나의 프로세스에서 여러 개의 디스패칭 단위가 실행될 수 있도록 하고 있으며, 이러한 디스패칭 단위를 스레드라 부릅니다.

프로세스 상태

• 실행(Run) : 프로세스가 프로세서를 차지하여 서비스를 받고 있는 상태를 말함.
• 준비(Ready) : 실행될 수 있도록 준비되는 상태를 말함.
• 대기(Waiting) : CPU 의 사용이 아니라 입출력의 사건을 기다리는 상태를 말함.

프로세서(Processor)

프로세서는 하드웨어적인 측면과 소프트웨어적인 측면으로 나누어 볼 수 있다.

• 하드웨어적인 측면 : 컴퓨터 내에서 프로그램을 수행하는 하드웨어 유닛으로, 중앙처리장치(CPU)를 의미하며 적어도 하나 이상의 ALU와 레지스터를 내장하고 있다.
• 소프트웨어적인 측면 : 데이터 포맷을 변환하는 역할을 수행하는 데이터 처리 시스템을 의미한다. 워드프로세서나 컴파일러 등이 여기에 속한다.

프로세스(Process)

프로세스는 특정 목적을 수행하기 위해 나열된 작업의 목록을 의미한다. 메모리에 적재 되어 프로세서에 의해 실행 중인 프로그램을 프로세스라고 볼 수 있다.

스레드

스레드는 명령어가 CPU 를 통해서 수행되는 객체의 단위다. 하나의 프로세스 내에는 반드시 1개 이상의 스레드가 존재하며, 이러한 스레드는 같은 프로세스에 있는 자원과 상태를 공유한다.

같은 프로세스 내에 있는 하나의 스레드가 수정한 메모리는 같은 메모리를 참조하는 스레드에 영향을 미치게 됩니다. 예를 들어 하나의 스레드에서 오픈한 파일을 다른 스레드가 사용할 수 있다. 프로세스가 종료되면 그 프로세스에 속해있던 스레드도 함께 종료된다.

스레드는 왜 필요한가?

하나의 프로세스 안에서 여러 개의 루틴을 동시에 수행하여서 수행 능력을 향상하려고 할 때 스레드를 사용하게 되는데, 독립적으로 수행하여 처리하려고 할 때 사용하게 된다. 즉 여러 개의 작업 단위로 구성된 프로그램에서 요청을 동시에 처리하기 위해서다.

스레드의 구성요소

스레드는 가상 CPU, 수행 코드, 처리 데이터로 구성된다.

• 가상 CPU : 인터프리터, 컴파일러에 의해 내부적으로 처리되는 가상 코드.
• 수행 코드 : Thread Class에 구현되어 있는 run() Method 코드.
• 처리 데이터 : Thread에서 처리하는 데이터.

스레드의 특징

• 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위다. 하나의 스레드는 시작해서 종료할 때까지 한번에 하나씩 명령들을 수행한다.
• 각 스레드마다 call stack이 존재(call stack: 실행 중인 서브루틴을 저장하는 자료 구조)하며, 나머지 Code, Data, Heap 영역은 스레드 끼리 공유한다. 반면에 프로세스는 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없다.
• 스레드는 다른 스레드와 독립적으로 동작한다. 독립적으로 동작하기 때문에 두 개 이상의 스레드가 동작되는 경우, 두 개 이상의 스레드의 실행 및 종료순서는 예측할 수 없다.

싱글 스레드와 멀티 스레드

스레드는 싱글 스레드와 멀티 스레드가 존재하고 있다.

싱글 스레드(Single-Thread)

프로세스가 단일 스레드로 동작하는 방식으로 일련의 처리를 단일 스레드만으로 직렬 처리하는 프로그래밍 방법이다. 하나의 레지스터, 스택으로 표현한다. 자바스크립트가 가장 대표적인 싱글 스레드 언어다.

싱글 스레드의 장점

• 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 된다. 여러 개의 스레드가 프로세스의 자원을 공유할 경우, 각 스레드가 원하는 결과를 얻게 하려면 공용 자원에 대한 접근을 제어해야 한다.
• 자원 접근에 대한 동기화를 신경쓰지 않아도 되므로 문맥 교환(context switch) 작업 또한 요구하지 않는다. 문맥 교환은 여러 개의 프로세스가 하나의 프로세서를 공유할 때 발생하는 작업으로 많은 비용을 필요로 한다.
• 프로그래밍 난이도가 쉽고, CPU 메모리를 적게 사용한다.

싱글 스레드의 단점

• 여러 개의 CPU를 활용하지 못한다. 싱글 스레드는 하나의 물리적 코어밖에 사용하지 못해 멀티 코어 머신에서 CPU 사용을 최적화할 수 없다. 최적화를 위해선 Cluster 모듈을 이용하여 여러 프로세스를 사용할 수 있다. 하지만 앞서 프로세스끼리의 자원 공유는 어렵기 때문에 Redis와 같은 부가 인프라가 필요하다.
• 연산량이 많은 작업을 하는 경우, 그 작업이 완료되어야 다른 작업을 수행할 수 있다.
• 싱글 스레드 모델은 에러 처리를 못하는 경우 멈춰버리게 된다. 멀티 스레드 모델은 에러 발생 시 새로운 스레드를 생성하여 극복할 수 있다.

멀티 스레드 (Multi-Thread)

일반적으로 하나의 프로세스는 하나의 스레드를 가지고 작업을 수행하게 된다.

하지만 멀티 스레드(multi thread)란 하나의 프로세스 내에서 둘 이상의 스레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 의미한다. 또한, 멀티 프로세스(multi process)는 여러 개의 CPU를 사용하여 여러 프로세스를 동시에 수행하는 것을 의미한다.

시스템 자원의 활용 극대화 및 처리량 증대할 수 있어 단일 프로세스 시스템의 효율성을 높일 수 있다.

멀티 스레딩의 장점

• 멀티스레드는 작업을 분리해서 수행하므로 실시간으로 사용자에게 응답할 수 있다.
• 멀티 스레드는 프로세스를 여러 프로세서에서 수행할 수 있으므로 훨씬 효율적이다.

멀티 스레딩의 문제점

• 주의 깊은 설계가 필요하며, 디버깅이 까다롭다.
• 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어려우며 다른 프로세스에서 스레드를 제어할 수 없다. 즉, 프로세스 밖에서 스레드 각각을 제어할 수 없다.
• 멀티 스레드의 경우 자원 공유의 문제가 발생한다. 하나의 스레드에 문제가 발생하면 전체 프로세스가 영향을 받게 된다.
• 문맥 교환 작업을 요구한다. CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 문맥 교환(Context Switching)이라 한다.

문맥 교환이란 다른 태스크(프로세스, 스레드)가 시작할 수 있도록 이미 실행 중인 태스크(프로세스, 스레드)를 멈추는 것을 말한다.

동시성과 병렬성의 차이

동시에 돌릴 수 있는 스레드 수는 컴퓨터에 있는 코어 개수로 제한된다. 운영체제(또는 가상 머신)는 각 스레드를 시간에 따라 분할하여, 여러 스레드가 일정 시간마다 돌아가면서 실행되도록 한다. 이런 방식을 시분할이라고 한다.

• Concurrency(동시성, 병행성): 여러 개의 스레드가 시분할 방식으로 동시에 수행되는 것처럼 착각을 불러일으킴
• Parallelism(병렬성): 멀티 코어 환경에서 여러 개의 스레드가 실제로 동시에 수행됨

문자열과 그래픽

문자열

2010년도 이후, 우리는 유니코드라고 불리는 인코딩 방식이 통일된 시대를 살아가고 있다. 문자열을 다루는 디테일한 방식에 대해 전부 알 필요는 없지만, 프로그래밍 언어마다 문자열을 다루는 자료형의 차이를 이해하기 위해 문자열을 다루는 기본적인 방식은 알고 있을 필요가 있다.

문자열 하나는 몇 바이트인가요?

영어의 경우 알파벳 하나가 1 바이트(byte)를 차지하는 시절이 있었다. 그러나 글로벌 시대에는 유니코드를 사용해야 텍스트를 정확하게 저장할 수 있다. 프로그래밍 언어마다 문자열을 저장하는 자료형이 다 다르므로, "문자열 하나가 몇 바이트인가?"에 대한 답변은 이 자료형이 차지하고 있는 바이트를 이해할 때 답변할 수 있을 것이다.

유니코드는 무엇인가요?

유니코드(Unicode)는 유니코드 협회(Unicode Consortium)가 제정하는 전 세계의 모든 문자를 컴퓨터에서 일관되게 표현하고 다룰 수 있도록 설계된 산업 표준이다. 이 표준에는 ISO 10646 문자 집합, 문자 인코딩, 문자 정보 데이터베이스, 문자를 다루기 위한 알고리즘 등을 포함하고 있다.

유니코드가 탄생하기 이전에는, 같은 한글이 적힌 텍스트 파일이라도 표현하는 방법이 제각각이었다. 어떤 파일이 지원하지 않는 다른 인코딩 형식으로 저장되어 있는 경우에는 파일을 제대로 불러올 수 없었다. 기본적으로 유니코드의 목적은 현존하는 문자 인코딩 방법을 모두 유니코드로 교체하는 것이다.

인코딩(부호화)이란?
인코딩이란 어떤 문자나 기호를 컴퓨터가 이용할 수 있는 신호로 만드는 것이다.

이 신호를 입력하는 인코딩과 문자를 해독하는 디코딩을 하기 위해서는 미리 정해진 기준을 바탕으로 입력과 해독이 처리되어야 한다.

이렇게 인코딩과 디코딩의 기준을 문자열 세트 또는 문자셋(charset)이라고 한다. 이 문자셋의 국제 표준이 유니코드다.

ASCII 문자는 무엇인가요?

영문 알파벳을 사용하는 대표적인 문자 인코딩으로 7 비트로 모든 영어 알파벳을 표현할 수 있다. 52개의 영문 알파벳 대소문자와, 10개의 숫자, 32개의 특수 문자, 그리고 하나의 공백 문자를 포함한다.

유니코드는 ASCII를 확장한 형태다.

UTF-8과 UTF-16의 차이점은 무엇인가요?

UTF-8과 UTF-16은 인코딩 방식의 차이를 의미한다. UTF-8은 Universal Coded Character Set + Transformation Format – 8-bit의 약자로, UTF- 뒤에 등장하는 숫자는 비트(bit)다.

UTF-8 특징: 가변 길이 인코딩

UTF-8은 유니코드 한 문자를 나타내기 위해 1 byte(= 8 bits)에서 4 bytes까지 사용합니다.

예를 들어, 코 라는 문자의 유니코드는 U+CF54 (16진수, HEX)로 표현된다. 이 문자를 이진법(binary number)으로 표시하면, 1100-1111-0101-0100이 된다. 이 문자를 UTF-8로 표현하면, 다음과 같이 3byte의 결과로 표현된다.

1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx # x 안에 순서대로 값을 채워넣는다.
11101100 10111101 10010100

ASCII 코드는 7비트로 표현되고, UTF-8에서는 다음과 같이 1 byte의 결과로 만들 수 있다.

0xxxxxxx
01100010 

이처럼, UTF-8은 1 byte에서 4 bytes까지의 가변 길이를 가지는 인코딩 방식이다. 네트워크를 통해 전송되는 텍스트는 주로 UTF-8로 인코딩된다. 사용된 문자에 따라 더 작은 크기의 문자열을 표현할 수 있기 때문이다.

UTF-8은 ASCII 코드의 경우 1 byte, 크게 영어 외 글자는 2byte, 3byte, 보조 글자는 4byte를 차지한다. 이모지는 보조 글자에 해당하기 때문에 4byte가 필요하다.

UTF-8 특징: 바이트 순서가 고정됨

UTF-16에 비해 바이트 순서를 따지지 않고, 순서가 정해져 있다.

UTF-16 특징: 코드 그대로 바이트로 표현 가능, 바이트 순서가 다양함

UTF-16은 유니코드 코드 대부분(U+0000부터 U+FFFF; BMP)을 16 bits로 표현한다.

대부분에 속하지 않는 기타 문자는 32 bit(4 bytes)로 표현하므로 UTF-16도 가변 길이라고 할 수 있으나, 대부분은 2 바이트로 표현한다.

U+ABCD라는 16진수를 있는 그대로 이진법으로 변환하면 1010-1011-1100-1101이다. 이 이진법으로 표현된 문자를 16 bits(2 bytes)로 그대로 사용하며, 바이트 순서(엔디언)에 따라 UTF-16의 종류도 달라진다.

UTF-8에서는 한글은 3 바이트, UTF-16에서는 2 바이트를 차지한다.

그래픽

비트맵(Bitmap)과 벡터(Vector)는 디지털 이미지의 종류다. 서로 상반된 방식으로 이미지를 표현하기 때문에 비트맵(Bitmap)과 벡터(Vector)는 큰 차이점이 있다.

비트맵

비트맵(Bitmap)은 웹 상에서 디지털 이미지를 저장하는 데에 가장 많이 쓰이는 이미지 파일 포맷 형식이다. 일반적으로는 래스터 그래픽(점 방식)이라고 한다. 이미지의 각 점들을 격자형의 픽셀 단위로 구성되며, 한 지역을 차지하는 셀은 위치에 따라 다른 값을 갖는다.

이런 비트맵은 사각의 픽셀 형태로 모여 있기 때문에 확대를 하면 ‘계단현상’ 또는 ‘깨짐 현상’이 발생하며, 경계가 뚜렷하지 않다는 특징이 있다. 이런 식으로 픽셀 단위로 이미지를 표현하는 방식은 컴퓨터에게 부담을 덜 주는 구조로 되어 있다. 또한 픽셀 하나 당 모두 색상 값을 가지고 있다. 따라서 이미지의 사이즈가 커질수록 용량 또한 무거워진다는 특징이 있다.

벡터

벡터(Vector)는 비트맵과는 완전히 다른 방식으로 이미지를 표현한다. 비트맵이 격자형의 픽셀 단위로 이미지를 구성한다면 벡터는 이미지를 수학적인 공식으로 표현한다.

점과 점을 연결해 선을 표현하고 선과 선을 연결해 면을 표현하는 식의 수학적 원리로 그림을 그리기 때문에 비트맵과는 달리 아무리 확대를 해도 ‘계단현상’ 또는 ‘깨짐 현상’이 발생하지 않는다. 그렇기 때문에 벡터 방식은 비트맵에 비해 컴퓨터에게 부담을 가하는 방식이므로 주로 도형, 글자 등을 그리는 작업에 사용된다. 또한 수학적인 연산으로 만들어진 이미지이기 때문에 사이즈를 키워도 용량에는 변화가 없다는 특징이있다.

비트맵(래스터)과 벡터 이미지의 차이점

	비트맵(래스터)	벡터
기반 기술	픽셀 기반	수학적으로 계산된 Shape 기반
특징	사진과 같이 색상의 조합이 다양한 이미지에 적합	로고, 일러스트와 같이 제품에 적용되는 이미지에 적합
확대	확대에 적합하지 않음, 보다 큰 사이즈의 이미지가 필요할 때 사용하려는 크기 이상으로 생성하거나 스캔해야 함	품질 저하 없이 모든 크기로 확대 가능하며, 해상도의 영향을 받지 않음
크기(dimension)에 따른 파일 용량(file size)	큰 크기의 이미지는, 큰 파일 사이즈를 가짐	큰 크기의 벡터 그래픽은 작은 파일 사이즈를 유지할 수 있음
상호 변환	이미지의 복잡도에 따라 벡터로 변환하는 것에 오랜 시간이 걸림	쉽게 래스터 이미지로 변환 가능
대표적인 파일 포맷	jpg, gif, png, bmp, psd	svg, ai
웹에서의 사용성	jpg, gif, png 등이 널리 쓰임	svg 포맷은 현대의 브라우저에서 대부분 지원

가비지 컬렉션과 캐시

가비지 컬렉션

가비지 컬렉션은 무엇이며, 가비지 컬렉션 기능을 가진 언어는 무엇인가요?

가비지 컬렉션은 프로그램에서 더 이상 사용하지 않는 메모리를 자동으로 정리하는 것이다. 이 기능을 가진 언어(혹은 엔진)는 자바, C#, 자바스크립트 등이 있다.

대표적인 가비지 컬렉션의 방법은 무엇이 있나요?

• 트레이싱: 한 객체에 flag를 두고, 가비지 컬렉션 사이클마다 flag에 표시 후 삭제하는 mark and sweep 방법이다.
  객체에 in-use flag를 두고, 사이클마다 메모리 관리자가 모든 객체를 추적해서 사용 중인지 아닌지를 표시(mark)한다. 그 후 표시되지 않은 객체를 삭제(sweep)하는 단계를 통해 메모리를 해제한다.

• 레퍼런스 카운팅: 한 객체를 참조하는 변수의 수를 추적하는 방법이다.
  객체를 참조하는 변수는 처음에는 특정 메모리에 대해 레퍼런스가 하나뿐이지만, 변수의 레퍼런스가 복사될 때마다 레퍼런스 카운트가 늘어난다. 객체를 참조하고 있던 변수의 값이 바뀌거나, 변수 스코프를 벗어나면 레퍼런스 카운트는 줄어든다. 레퍼런스 카운트가 0이 되면, 그 객체와 관련한 메모리는 비울 수 있다. 레퍼런스 카운트가 0이 된다는 말은 아무도 그 객체에 대한 레퍼런스를 가지고 있지 않다는 말과 같다.

웹 서비스에서의 캐시

캐시란 무엇인가요?

많은 시간이나 연산이 필요한 작업의 결과를 저장해두는 것을 의미한다.
컴퓨팅에서 캐시는 일반적으로 일시적인(temporarily) 데이터를 저장하기 위한 목적으로 존재하는 고속의 데이터 저장 공간이다. 첫 작업 이후에 이 데이터에 대한 요청이 있을 경우, 데이터의 기본 저장 공간에 접근할 때보다 더 빠르게 요청을 처리할 수 있다. 캐싱을 사용하면 이전에 검색하거나 계산한 데이터를 효율적으로 재사용할 수 있다.

캐시의 일반적인 작동원리

캐시의 데이터는 일반적으로 RAM(Random Access Memory)과 같이 빠르게 액세스할 수 있는 하드웨어에 저장되며, 소프트웨어 구성 요소와 함께 사용될 수도 있다. 캐시는 기본 스토리지 계층(SSD, HDD)에 액세스하여 데이터를 가져오는 더 느린 작업의 요구를 줄이고, 데이터 검색의 성능을 높인다.

속도를 위해 용량을 절충하는 캐시는 일반적으로 데이터의 하위 집합을 일시적으로 저장한다. 완전하고 영구적인 데이터가 있는 데이터베이스와는 대조적이다.

캐시의 장점은 무엇인가요?

• 애플리케이션 성능 개선
• 데이터베이스 비용 절감
• 백엔드 부하 감소
• 예측 가능한 성능
• 데이터베이스 핫스팟 제거
• 읽기 처리량 증가
  • 읽기 처리량: IOPS; Input/output operations per second. HDD, SSD 등의 컴퓨터 저장 장치의 성능 측정 단위

웹서비스에서 캐시가 적용되는 예제로는 어떤 것들이 있나요?

• 클라이언트: HTTP 캐시 헤더, 브라우저
• 네트워크: DNS 서버, HTTP 캐시 헤더, CDN, 리버스 프록시
• 서버 및 데이터베이스: 키-값 데이터 스토어(e.g. Redis), 로컬 캐시(인-메모리, 디스크)

마치며.

이번 블로깅에서는 낯선 표현들과 익숙한 표현들이 번갈아가며 등장했다. 컴퓨터 공학에 대한 기초적인 개념을 공부할 수 있는 좋은시간이 되었다. 지금 당장 필요한 개념이 아닐지라도, 언젠가는 이러한 개념들을 이용할 수 있는 경지까지 오를 수 있을거라고 생각한다. 그 순간을 위해 앞으로도 화이팅!