운영체제

1. 메모리란?

컴퓨터에서 작업를 수행하기 위해 처리대상이나 결과등을 저장하기 위한 공간 프로그램을 실행하기 위한 정보들은 메모리에 저장되어 처리한다.

2. 프로세스와 스레드의 차이

2.1 프로세스(Process)

프로세스는 실행 중인 프로그램으로 디스크로부터 메모리에 적재되어 CPU의 할당을 받을 수 있는 것을 말한다. 운영체제로부터 주소 공간, 파일, 메모리 등을 할당받는다. 구체적으로 살펴보면 프로세스는 함수의 매개변수, 복귀주소와 로컬변수와 같은 임시 자료를 갖는 프로세스 스택과 전역변수들을 수록하는 데이터 섹션을 포함한다. 또한 프로세스는 실행 중에 동적으로 할당되는 메모리인 힙을 포함한다.

2.2 스레드(Thread)

스레드는 프로세스의 실행 단위라고 할 수 있다. 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행흐름으로 프로세스 내의 주소공간이나 자원을 공유할 수 있다. 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 스택으로 구성된다. 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터섹션, 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다. 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하기 때문에 각자의 스택과 PC 레지스터 값을 갖고 있다.

스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이므로 스택메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소조건으로 독립된 스택을 할당한다.

PC Register를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
PC값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행하였는지를 나타나게 된다. 스레드는 CPU를 할당 받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그렇기 때문에 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있다. 따라서 PC레지스터를 독립적으로 할당한다.

3. 멀티스레드

3.1 멀티 스레딩의 장점

프로세스를 이용하여 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우 메모리 공간과 시스템 자원소모가 줄어들게 된다. 스레드간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는것이 아니라 전역변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap영역을 이용하여 데이터를 주고 받을 수 있다. 그렇기 때문에 프로세스간 통신방법에 비해 스레드간의 통신방법이 훨씬 간단하다. 심지어 스레드의 context switch는 프로세스 context switch와는 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없기 때문에 더 빠르다. 따라서 시스템의 throughput이 향상되고 자원소모가 줄어들며 자연스럽게 프로그램의 응답 시간이 단축된다. 이러한 장점 때문에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠 수행하는 것이다.

3.2 멀티 스레딩의 문제점

멀티프로세스 기반으로 프로그래밍할때는 프로세스간 공유하는 자원이 없기 때문에 동일한 자원에 동시에 접근하는 일이 없었지만 멀티스레딩을 기반으로 프로그래밍할때는 이 부분을 신경써야한다. 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정 할 수 있다.
그렇기 때문에 멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리순서를 컨트롤하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤하는 것이다. 하지만 이로 인해 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 높다. 그러므로 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 한다.

3.3 멀티스레드 vs 멀티프로세스

멀티스레드는 멀티프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥전환이 빠르다는 장점이 있지만, 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될수 있다는 점과 동기화 문제를 안고있다. 반면 멀티프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU시간을 차지한다는 단점이 존재한다. 이 두가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작방식을 선택하고 적용해야 한다.