Process & Thread

1. 프로세스와 스레드

• 프로세스: 실행 중인 프로그램의 인스턴스로, 메모리 상에서 실행되는 독립적인 프로그램 단위

• 스레드: 프로세스 내부에서 실행되는 작은 작업 단위

  • 각각의 프로세스는 최소한 하나 이상의 스레드를 가진다.
  • 프로세스는 싱글 스레드 프로세스 또는 멀티 스레드 프로세스일 수도 있다.
  • 멀티 스레드 프로세스에서는 여러 스레드가 동시에 작업할 수 있어서 병렬성과 효율성을 향상시키는 데 도움을 준다.
    

• 프로세스 vs 스레드

  1. 프로세스는 스택, 힙, 코드, 데이터 영역을 각각의 프로세스마다 독립적으로 할당 받는다.
     • 프로세스는 격리와 안정성: 각 프로세스는 독립적으로 실행되며, 서로의 메모리에 영역에 직접 접근할 수 없다는 장점과 함께 높은 격리와 안정성을 제공한다.
       이로 인해, 하나의 프로세스에서 문제가 발생하더라도 다른 프로세스에 영향을 주지 않는다.
     • IPC(Inter-Process Communication)를 통해 프로세스 간 통신을 수행할 수 있지만, 비용과 복잡성이 높을 수 있다.
  2. 스레드는 스택 메모리만 독립적으로 할당받고 나머지 메모리 영역(힙, 코드, 데이터)를 공유한다.
     • 스레드는 공유와 빠른 통신: 서로의 메모리 공간을 공유하기 때문에 스레드 간의 통신과 데이터 공유가 효율적이다.
     • 스레드 간의 동기화와 데이터 일관성 유지가 중요하다.
     • 하나의 스레드에서 발생한 문제는 다른 스레드에 영향을 줄 수 있다.
  3. 생성 시간: 프로세스를 생성하는 데는 스레드를 생성하는 것보다 시간이 오래 걸린다.
     • 프로세스를 생성할 때는 독립적인 메모리 공간을 할당하고 초기화해야 하기 때문
  4. 컨텍스트 스위칭 시간: 스레드 간의 컨텍스트 스위칭 시간이 프로세스 간의 컨텍스트 스위칭 시간에 비해 빠르다.
     • 스레드가 메모리를 공유하기 때문에 스위칭이 빠르게 수행될 수 있기 때문

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2. 프로세스의 메모리 구조

• 스택: 지역 변수, 매개 변수, 함수 호출 및 재귀 호출에 사용

  • 컴파일 시에 크기가 결정되지만 런타임에서 크기가 동적으로 변경될 수 있다.
  • 재귀 함수가 호출될 때마다 새로운 스택 프레임이 동적으로 할당되며, 함수 내의 변수 집합이 해당 함수의 다른 인스턴스 변수와 격리되어 상호 간섭하지 않는다.

• 힙: 동적 할당을 위해 사용되는 메모리 영역

  • 런타임에 크기가 결정되며 malloc(), free()와 같은 함수를 통해 메모리를 할당하고 해제
  • C++ vector 자료구조

• 데이터 영역: 컴파일 시에 크기가 결정되며, 정적 할당에 관련된 메모리 영역으로 사용

  • Data Segment: 전역 변수, static, const 중 초기화가 되어있는 변수들이 할당되는 공간
    → 0으로 초기화는 제외
    
  • BSS Segment: 전역 변수, static, const 중 0으로 초기화 또는 어떠한 값으로도 초기화가 되어 있지 않은 변수들이 할당되는 공간
    
  • 코드 영역 : 프로그램의 코드

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3. 멀티프로세싱

• 여러 개의 프로세스를 사용하여 동시에 여러 개의 작업을 수행하는 것을 의미하며, 하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있다.
  

• 장점

  1. 격리성과 안정성: 프로세스는 독립된 구조이므로 자원을 공유하지 않아 하나의 프로세스에 문제가 생기더라도 영향을 미치지 않는다.
  2. 신뢰성: 프로세스 중 일부에 문제가 발생하더라도 다른 프로세스를 이용해서 처리할 수 있으므로 높은 신뢰성을 제공한다.

• 단점

  1. 메모리 공간: 프로세스는 독립된 메모리 공간을 가지므로 멀티프로세스 시스템은 멀티스레드 시스템에 비해 더 많은 메모리 공간을 차지한다.
  2. Context Switching 오버헤드: 여러개의 프로세스를 통해 작업이 진행되면 Context Switching이 자주 발생한다.
     → 스레드에 비해 프로세스는 독립된 자원을 가지고 있어 store & reload 등 무거운 작업이 진행되어 Context Switching 비용이 증가함에 따라 오버헤드 발생할 수 있다.

• 예시: 웹 브라우저는 멀티프로세스 구조를 가진다.

  • 브라우저 프로세스: 탭 관리, 주소 표시줄, 북마크 등사 용자 인터페이스(UI)를 관리
  • 랜더러 프로세스: 웹 페이지의 렌더링과 HTML, CSS, JavaScript의 실행 처리
  • 플러그인 프로세스: 플래시, PDF 뷰어, 음악 플레이어와 같은 플러그인을 실행
  • GPU 프로세스: 그래픽 처리를 담당

• IPC (Inter Process Communication): 프로세스 간에 데이터를 주고받고 상호작용하기 위한 매커니즘

  1. 공유메모리: 여러 프로세스 간에 데이터를 공유하기 위해 메모리를 공유하는 메커니즘
     • 어떠한 매개체를 통해 데이터를 주고받는 것이 아닌 메모리 자체를 공유하기 때문에, 데이터의 복사 없이 공유된 메모리 영역에서 데이터를 직접 공유할 수 있으므로 오버헤드가 적음
     • 여러 프로세스가 동시에 메모리에 접근할 수 있으므로 동기화가 필요
       
  2. 파일: 데이터를 디스크에 저장된 파일을 통해 교환하는 방식
  3. 소켓: TCP 또는 UDP 기반의 통신을 사용하여 프로세스 간 데이터를 교환하는 방법
     • 웹 브라우저가 웹 서버와 통신할 때 HTML 파일을 가져오는 데 사용
  4. 파이프
     • 익명파이프: 부모 프로세스와 자식 프로세스 사이에서 FIFO 구조의 통신 채널을 만들어 데이터를 교환하는 방법
       → 파이프는 기본적으로 단방향 통신을 위한 메커니즘이므로 양방향 통신을 위해 두 개의 익명 파이프를 사용
     • 명명파이프: 익명파이프의 확장 개념으로, 부모와 자식 프로세스 간뿐만 아니라 네트워크를 통해 다른 시스템 간에도 통신이 가능
       → 클라이언트와 서버간에 파이프를 만들어 통신
  5. 메세지 큐: 큐 형태의 버퍼를 만들어 통신
     • 메시지 버퍼를 만들고 이를 통해 프로세스 간 데이터를 전송하며, 송수신 프로세스 간에 비동기적 통신을 지원
     • 과정
       → 메시지 큐 초기화: 메시지 큐를 사용하기 전에 해당 큐는 초기화를 통해 메시지 큐가 생성되고 설정
       → 메시지 보내기: 프로듀서는 메시지를 작성하고 메시지 큐에 해당 메시지를 복사하여 큐에 저장한고 전달
       → 메시지 받기: 컨슈머는 메시지 큐에서 메시지를 읽고 처리 (메시지는 복사된 것이므로 원본 데이터의 무결성이 보장)

• 메시지 큐 VS 파이프

  • 메시지 큐: 비동기적인 통신을 지원하며, 프로듀서(데이터를 생성하는 측)와 컨슈머(데이터를 소비하는 측) 간에 시간의 독립성을 제공
    • 한 측의 작업이 다른 측의 작업에 영향을 주지 않음
      → 한 측이 데이터를 보내거나 받을 때 다른 측은 계속해서 작업을 수행할 수 있으며, 시간에 따라 독립적으로 메시지를 보내고 받을 수 있다. 이로 인해 대기 시간 없이 작업을 진행할 수 있다.
  • 파이프: 단방향 또는 양방향 통신을 지원하는데 사용되며, 데이터는 순차적으로 전달된다.
    • 데이터를 보내는 측이 데이터를 보내면, 데이터를 받는 측은 해당 데이터를 수신할 때까지 대기
      → 데이터를 보내는 측과 받는 측 간에 동기화된 작업이 필요

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4. 멀티스레딩

• 하나의 프로세스 안에서 스레드를 생성해서 자원을 공유하며 작업을 나누어 실행하는 것
  

• 장점

  1. 스레드는 같은 프로세스 내에서 실행되므로 프로세스 내의 자원을 주로 힙 영역을 통해 공유한다.
     • 메모리 공간을 효율적으로 활용
     • 스레드 간 데이터 및 자원 공유가 간단하며, 통신 비용이 적고 빠르다.
  2. 스레드 간에 작업량이 적고 대부분의 자원을 공유하기 때문에 Context Switching에 대한 오버헤드가 비교적 적게 발생한다.
  3. 스레드는 프로세스 내부에서 생성 및 관리되기 때문에 프로세스를 생성할 때 발생하는 시스템 콜 횟수가 줄어든다.

• 단점

  1. 동기화 문제: 스레드는 같은 프로세스 내에서 자원을 공유하므로 동기화 문제가 발생할 수 있다.
  2. 스레드는 같은 프로세스 내에서 실행되므로 하나의 스레드에 문제가 발생하면 다른 스레드에 영향을 미칠 수 있다.

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5. 멀티프레스싱 vs 멀티스레딩

• 멀티프로세싱은 하나의 프로세스에 장애가 발생하더라도 다른 프로세스에 영향을 미치지 않아 안정성과 격리성이 높지만, 멀티스레딩에 비해 메모리 자원을 많이 사용하고 Context Swtiching 비용이 많아 오버헤드가 발생할 가능성이 비교적 높다.

• 멀티스레딩은 Context Switching 빠르고 메모리를 적게 차지하며 통신 비용이 적다는 장점이 있지만, 자원을 공유하므로 동기화 문제가 발생할 수 있다.

• 각각의 장점과 단점을 잘 파악하여 시스템을 적절하게 설계해야한다.

  • 웹 브라우저와 같이 병렬로 여러 작업을 처리해야 하는 환경에서 멀티프로세싱과 멀티스레딩을 결합한 아키텍처를 사용하는 것은 효과적이다.
    • 멀티프로세싱은 각 탭 또는 창을 독립적인 프로세스로 실행하여 안정성과 격리성을 제공할 수 있다.
    • 멀티스레딩을 사용하여 작은 리소스로 다수의 요청을 병렬로 효율적으로 처리하여 시스템의 전체적인 응답시간을 높일 수 있으며, 동시성을 향상시킬 수 있다.
      → 동시성: 서로 독립적인 작업들이 동시에 실행되는 것처럼 보여주는 것