Multi Programming, Processing, Tasking, Threading

1. CPU, Process, Memory

(1) CPU, Process, Memory

 

프로세스(Process) 는 컴퓨터에서 실행 중인 프로그램을 말하며 각 프로세스는 독립된 메모리(Memory) 공간을 할당받아 실행되기 위해 대기하고 있다. 프로세스는 명령어와 데이터 집합을 가지고 있는데, 이 때 프로세스의 명령어를 CPU(Central Process Unit) 에서 실행시킨다.

 

(2) I/O (Input/Output)

 

프로세스 는 CPU 연산 외에도 네트워크 또는 입출력 장치를 통해 데이터를 주고 받는다. 이와 같은 행위를 I/O(Input/Output) 라고 한다. I/O 는 외부에서 응답이 완료될 때까지 기다리는 blocking I/O, 응답이 올 때까지 기다리지 않고 다른 작업을 하는 Non-Blocking I/O 가 있다.

 

 

2. Multi-(Programming, Tasking, Processing, Threading)

(1) Multi-Programming

 

 

초기의 컴퓨터의 CPU 는 단일 코어만 존재했다. 한 코어는 한 프로세스만 실행할 수 있기 때문에 CPU 사용률이 좋지 못했다. 예를 들어 blocking I/O 와 같은 응답이 완료될 때까지 기다리는 경우에는 CPU 를 사용하지 못하기 때문이다. 이를 개선하고자 여러 프로세스를 메모리에 올려놓고 실행 중인 프로세스가 I/O 발생하면 CPU가 다른 프로세스 실행하는 방법을 멀티 프로그래밍(MultiProgramming) 이다.

 

(2) Multi-Tasking

멀티프로그래밍에는 단점이 존재했다. 특정 프로세스(Process01)이 계속해서 I/O 없이 CPU 를 점유하고 있다면 Process01 이 완료될 때까지 다른 프로세스(Process02) 는 CPU 를 점유할 수 없다. 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나가 멀티태스킹(MultiTasking) 이다. 프로세스가 CPU 를 사용할 때 아주 짧은 시간(quantum) 만 실행할 수 있도록 한다.(시분할 방식) 즉, 하나의 CPU 가 두 프로세스를 번갈아가면서 실행한다.

 

 멀티태스킹(MultiTasking) 은 사용자 입장에서 두 프로세스가 동시에 실행하는 것처럼 느끼도록 하는 장점이 있지만 아래와 같은 단점과 요구사항이 존재했다.

 

1. 실제로 하나의 프로세스가 여러 작업을 수행하지 못한다.
   1. 듀얼 코어가 등장하면서 더욱 효율적으로 사용하고 싶었다. 하나의 프로세스에 하나의 쓰레드를 사용하면 하나의 작업 단위만 실행하기 때문에 효율성에 한계가 있었다.
2. 프로세스의 컨텍스트 스위칭 비용은 크다.
   1. 이전에 멀티쓰레드가 도입되기 이전에는 작업량을 늘리기 위해서는 동일한 프로세스를 2개를 실행했다. 하지만 프로세스는 데이터 공유(e.g. data, code, heap) 을 공유하지 않아 IPC(Inter Process Communication) 이 필요하다. 공유하지 않는 데이터가 많으면 프로세스를 상태를 변경해야 할 레지스터의 수도 그만큼 많아지기 때문에 시스템에 부담을 준다.

 

(3) Multi-Threading

 

쓰레드(Thread) 는 CPU 에서 실행되는 단위(unit of execution) 을 말한다. 하나의 프로세스에는 최소 한 개 이상의 쓰레드를 가질 수 있고 쓰레드는 한 프로세스의 메모리 영역(e.g. code, data, heap) 을 공유한다. (stack 은 별도로 관리한다.)

이전 멀티태스킹 방식의 단점을 해결하고자 해서 도입했던 개념이 멀티 쓰레딩(Multi-Threading) 이다. 멀티 쓰레드는 한 프로세스가 동시에 여러 작업을 실행하는데 목적이 있다. 즉, 단일 코어 기준 한 프로세스에 2개 이상의 쓰레드 이상으로 관리되는 방식을 말한다. 멀티 쓰레드 방식은 아래와 같은 장점을 가진다.

1. 시스템 자원 소모 감소
   • 프로세스 생성 및 자원을 할당하는 시스템 콜이 줄어들어 자원을 효율적으로 사용할 수 있다.
2. Context Switching 이 빠르다.
   • 스레드 간 프로세스 메모리 정보를 공유하기 때문에 프로세스 상태를 백업할 필요가 없다.
     (같은 프로세스 속하므로 메모리 주소 공간이 바뀌지 않아 빠르다.)
   • MMU 의 메모리 주소 참조를 변경할 필요가 없고 TLB(Translation Look-aside Buffer) 를 비워줄 필요가 없다.

 

(4) Multi-Processing

 

멀티 프로세싱(Multi-Processing) 은 CPU 의 코어가 2개 이상으로 프로세스의 작업을 처리하는 것을 말한다. 듀얼 코어가 한 프로세스의 두 쓰레드가 실행될 수 있고, 두 프로세스의 각 쓰레드가 실행하기도 한다.

 

Reference

• https://www.youtube.com/watch?v=QmtYKZC0lMU
• https://velog.io/@woody_/%EC%BB%A8%ED%85%8D%EC%8A%A4%ED%8A%B8-%EC%8A%A4%EC%9C%84%EC%B9%ADcontext-switching
• https://www.learncomputerscienceonline.com/central-processing-unit/