[OS] Multi-Processing VS Multi-Threading

kdh10806·2022년 5월 3일
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들어가기에 앞서
프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위이고 스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위이다.

1. Multi-Processing

1) 개념

  • 두개 이상 다수의 프로세서(CPU)가 협력적으로 하나 이상의 작업(Task)을 동시에 처리하는 것. (병렬처리)
  • 각 프로세스 간 메모리 구분이 필요하거나 독립된 주소 공간을 가져야 할 경우 사용한다.

2) 장점

  • 독립된 구조로 안전성이 높은 장점이 있다.
  • 프로세스 중 하나에 문제가 생겨도 다른 프로세스에 영향을 주지 않아, 작업속도가 느려지는 손해정도는 생기지만 정지되거나 하는 문제는 발생하지 않는다.
  • 여러개의 프로세스가 처리되어야 할 때 동일한 데이터를 사용하고, 이러한 데이터를 하나의 디스크에 두고 모든 프로세서(CPU)가 이를 공유하면 비용적으로 저렴하다.

3) 문제점

  • 독립된 메모리 영역이기 때문에 작업량이 많을수록( Context Switching이 자주 일어나서 주소 공간의 공유가 잦을 경우) 오버헤드가 발생하여 성능저하가 발생 할 수 있다.
  • Context Switching 과정에서 캐시 메모리 초기화 등 무거운 작업이 진행되고 시간이 소모되는 등 오버헤드가 발생한다.

참고
Context Switching
CPU는 한번에 하나의 프로세스만 실행 가능하다.
CPU에서 여러 프로세스를 돌아가면서 작업을 처리하는 데 이 과정을 Context Switching라 한다.
구체적으로, 동작 중인 프로세스가 대기를 하면서 해당 프로세스의 상태(Context)를 보관하고, 대기하고 있던 다음 순서의 프로세스가 동작하면서 이전에 보관했던 프로세스의 상태를 복구하는 작업을 말한다.

2. Multi-Thread

1) 개념

하나의 프로세스에 여러 스레드로 자원을 공유하며 작업을 나누어 수행하는 것.

2) 장점

  • 시스템 자원소모 감소 (자원의 효율성 증대)
    프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  • 시스템 처리율 향상 (처리비용 감소)
    스레드 간 데이터를 주고 받는 것이 간단해지고 시스템 자원 소모가 줄어든다.
    스레드 사이 작업량이 작아 Context Switching이 빠르다. (캐시 메모리를 비울 필요가 없다.)
  • 간단한 통신 방법으로 프로그램 응답시간 단축
    스레드는 프로세스 내 스택영역을 제외한 메모리 영역을 공유하기에 통신 비용이 적다.
    힙 영역을 공유하므로 데이터를 주고 받을 수 있다.

3) 문제점

  • 자원을 공유하기에 동기화 문제가 발생할 수 있다. (병목현상, 데드락 등)
  • 주의 깊은 설계가 필요하고 디버깅이 어렵다. (불필요 부분까지 동기화하면, 대기시간으로 인해 성능저하 발생)
  • 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스가 영향을 받는다.
  • 단일 프로세스 시스템의 경우 효과를 기대하기 어렵다.

3. Multi-Processing VS Multi-Threading

  • 멀티 스레딩은 멀티 프로세싱보다 적은 메모리 공간을 차지하고 Context Switching이 빠른 장점이 있지만, 동기화 문제와 하나의 스레드 장애로 전체 스레드가 종료 될 위험을 갖고 있다.
  • 멀티 프로세싱은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향을 주지 않아 안정성이 높지만, 멀티 스레딩보다 많은 메모리공간과 CPU 시간을 차지하는 단점이 있다.
  • 두 방법은 동시에 여러 작업을 수행하는 점에서 동일하지만, 각각의 장단이 있으므로 적용하는 시스템에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.

4. 그럼 멀티 프로세싱으로 할 수 있는 작업들을 굳이 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠가며 하는 이유는?

  • 운영체제가 시스템 자원을 효율적으로 관리하기 위해 스레드를 사용한다.
  • 멀티 프로세스로 실행되는 작업을 멀티 스레드로 실행할 경우, 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 관리할 수 있다.
  • 프로세스 간의 통신보다 스레드 간의 통신 비용이 적으므로 작업들 간 통신의 부담이 줄어든다. (처리비용 감소. 프로세스는 독립구조이기 때문)

5. 그렇다면 무조건 멀티 스레딩이 좋은가?

스레드를 활용하면 자원의 효율성이 증가하기도 하지만, 스레드 간의 자원 공유는 전역 변수를 이용하므로 동기화 문제가 발생 할 수 있으므로 주의가 필요하다.

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