프로세스와 스레드(2)

멀티프로세스를 통해 동시에 두 가지 이상의 일을 수행할 수 있는 것을 말함

하나 이상의 일을 병렬로 처리할 수 있으며 특정 프로세스의 메모리, 프로세스 중 일부에 문제가 발생해도 다른 프로세스를 이용해서 처리 할 수 있어 신뢰성이 높다.

 

웹 브라우저

• 멀티프로세스 구조를 가지고 있으며 다음과 같다.

• 브라우저 프로세스: 주소 표시줄, 북마크 막대, 뒤로가기 버튼, 앞으로 가기 버튼 등을 담당하며 네트워크 요청이나 파일 접근 같은 권한을 담당
• 렌더러 프로세스: 보이는 부분의 모든 것을 제어
• 플러그인 프로세스: 사용하는 플러그인을 제어
• GPU 프로세스: GPU를 이용해서 화면을 그리는 부분을 제어

IPC

• 멀티프로세스는 IPC가 가능하며 IPC는 프로세스끼리 데이터를 주고받고 공유 데이터를 관리하는 메커니즘
• IPC의 종류로는 공유 메모리, 파일, 소켓, 익명 파이프, 명명 파이프, 메세지 큐가 있다.
• 모두 메모리가 완전히 공유되는 스레드보다는 속도가 떨어진다.

공유 메모리

• 공유 메모리는 여러 프로세스에 동일한 메모리 블록에 대한 접근 권한이 부여되어 프로세스가 서로 통신할 수 있도록 공유 버퍼를 생성
• 여러 프로세스가 하나의 메모리를 공유할 수 있다.
• 메모리 자체를 공유하여 불필요한 데이터 복사의 오버헤드가 발생하지 않아 가장 빠르며 여러 프로세스가 같은 메모리 영역을 공유하기 때문에 동기화가 필요하다.

파일

• 파일은 디스크에 저장된 데이터 또는 파일 서버에서 제공한 데이터를 말한다.

소켓

• 동일한 컴퓨터의 다른 프로세스나 네트워크의 다른 컴퓨터로 네트워크 인터페이스를 통해 전송하는 데이터를 의미하며 TCP와 UDP가 있다.

익명파이프

• 프로세스 간에 FIFO 방식으로 읽히는 임시 공간인 파이프를 기반으로 데이터를 주고받으며, 단방향 방식의 읽기 전용, 쓰기 전용 파이프를 만들어서 작동하는 방식을 말한다.

명명된 파이프

• 파이프 서버와 하나 이상의 파이프 클라이언트 간의 통신을 위한 명명된 단방향 또는 이중 파이프를 말한다.
• 클라이언트/서버 통신을 위한 별도의 파이프를 제공하며, 여러 파이프를 동시에 사용할 수 있다.
• 컴퓨터의 프로세스끼리 또는 다른 네트워크상의 컴퓨터와도 통신을 할 수 있다.

메시지 큐

• 메시지를 큐 데이터 구조 형태로 관리하는 것을 의미
• 전역적으로 관리되며 다른 IPC 방식에 비해서 사용 방법이 매우 직관적이고 간단하며 간단하게 메시지 큐에 접근

스레드와 멀티스레딩

스레드

• 스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위
• 여러 스레드를 가진다.

멀티스레딩

• 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법
• 스레드끼리 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다
• 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 끼치는 단점이 있다.
• 메인 스레드, 워커 스레드, 컴포지터 스레드, 레스터 스레드가 존재한다.

 

공유자원과 임계 영역

공유자원

• 공유자원은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일 등의 자원이나 변수 등을 의미
• 공유자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁 상태라고 한다.
• 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결괏값에 영향을 줄 수 있는 상태
• 프로세스 A와 프로세스 B가 동시에 접근하여 타이밍이 꼬이면 결괏값이 잘못 출력될 수 있다.

임계영역

• 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 영역을 임계 영역이라고 한다.
• 임계 영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세 가지가 있고 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다.
• 이 방법에 토대가 되는 메커니즘은 잠금이다. 

뮤텍스

• 뮤텍스는 공유 자원을 사용하기 전에 설정하고 사용한 후에 해제하는 잠금
• 잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없다.
• 뮤텍스는 하나의 상태만 가진다.

세마포어

• 세마포어는 일반화된 뮤텍스
• 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait 및 signal로 공유 자원에 대한 접근을 처리함
• wait()는 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이며 signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수

• 프로세스가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행함
• 세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.

바이너리 세마포어

• 0과 1의 두 가지 값만 가지는 세마포어
• 구현의 유사성으로 뮤텍스는 바이너리 세마포어라 할 수 있지만 뮤텍스는 리소스에 대한 접근을 동기화하는 데 사용되는 잠금 메커니즘이고 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 신호 메커니즘

카운팅 세마포어

• 카운팅 세마포어는 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어이며, 여러 자원에 대한 접근을 제어하는 데 사용

모니터

• 둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공
• 모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

 

교착상태

• 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태

 원인

• 상호배제: 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능
• 점유 대기: 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
• 비선점: 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없음
• 환형 대기: 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황

 교착 상태의 해결 방법

• 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계
• 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘' 사용
• 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 관련된 프로세스를 한 개씩 지움
• 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. 현대 운영체제는 이 방법을 채택하였다.