멀티프로세싱
멀티프로세싱은 여러 개의 프로세스, 즉 멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말합니다. 이를 통해 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생되더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 신뢰성이 높은 강점이 있습니다.
웹 브라우저
웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가지고 있습니다.
구조
- 브라우저 프로세스 : 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당합니다.
- 렌더러 프로세스 : 웹 사이트가 보이는 부분의 모든 것을 제어합니다.
- 플러그인 프로세스 : 웹 사이트에서 사용하는 플러그인을 제어합니다.
- GPU 프로세스 : GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어합니다.
IPC
IPC(Inter Process Communication)는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘을 뜻하며, 멀티프로세스는 IPC가 가능합니다.
IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메시지 큐가 있습니다. 이들은 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어집니다.
공유 메모리
공유 메모리(shared memory)는 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 메모리를 생성해서 통신하는 것을 말합니다.
공유 메모리를 통해 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있으며, 메모리 자체를 공유하기 때문에 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠릅니다. 같은 메모리 영역을 여러 프로세스가 공유하기 때문에 동기화가 필요합니다.
파일
파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말합니다.
소켓
동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있습니다.
익명 파이프
익명 파이프(unamed pipe)는 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간이 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식입니다.
이는 부모, 자식 프로세스 간에만 사용할 수 있습니다.
명명된 파이프
명명된 파이프(named pipe)는 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 양방향 파이프를 말합니다. 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있습니다. 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크 상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있습니다.
메시지 큐
메시지 큐는 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미합니다. 이는 커널의 전역변수 형태 등 커널에서 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 다른 코드의 수정 없이 단지 몇 줄의 코드를 추가시켜 간단하게 메시지 큐에 접근할 수 있는 장점이 있습니다.
스레드와 멀티스레딩
스레드
스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위입니다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있습니다.
프로세스는 코드, 데이터, 스택, 힙을 각각 생성하고 스레드는 그 중 코드, 데이터, 힙을 스레드끼리 서로 공유합니다. 그 외의 영역은 각각 생성됩니다.
멀티스레딩
멀티스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높습니다. 예를 들어 웹 요청을 처리할 때 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며, 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능합니다.
또한, 동시성에도 큰 장점이 있습니다. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼쳐 프로세스에 영향을 줄 수 있습니다.
동시성 : 서로 독립적인 작업들을 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것 공유 자원과 임계 영역
공유 자원
공유 자원(shared resource)은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원(모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등)이나 변수 등을 의미합니다. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태(race condition)라고 합니다.
임계 영역
임계 영역(critical section)은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말합니다.
임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있으며, 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족합니다.
상호 배제 : 한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
한정 대기 : 특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다.
융통성 : 한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안된다. 뮤텍스
뮤텍스(mutex)는 프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체입니다. 뮤텍스는 잠금 또는 잠금 해제라는 상태만을 가집니다.
세마포어
세마포어(semaphore)는 일반화된 뮤텍스입니다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait(P 함수) 및 signal(V 함수)로 공유 자원에 대한 접근을 처리합니다.
wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며, signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수입니다.
세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없습니다.
바이너리 세마포어
바이너리 세마포어는 0과 1의 두 가지 값만 가질 수 있는 세마포어입니다. 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 '잠금 메커니즘'이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 메커니즘'입닏다.
카운팅 세마포어
카운팅 세마포어는 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이며, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용됩니다.
모니터
모니터는 둘 이상의 스레드는 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공합니다.
모니터는 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리합니다.
모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있습니다.
교착 상태
교착 상태(deadlock)는 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말합니다.
예를 들어 프로세스 A가 프로세스 B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스 B도 프로세스 A가 점유하고 있는 자원을 요청하는 것이죠. 이에 대한 원인과 해결 방법은 다음과 같습니다.
교착 상태의 원인
- 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능합니다.
- 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태입니다.
- 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없습니다.
- 환형 대기 : 프로세스 2개가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말합니다.
교착 상태의 해결 방법
- 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계합니다.
- 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 씁니다.
- 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지웁니다.
- 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료합니다.
은행원 알고리즘
: 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정으로 나누고
안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘 