운영체제

프로세스와 스레드의 차이점

프로세스는 자원을 할당받는 작업의 단위이며, 스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위. 스레드는 자원을 공유한다는 점이 차이점이 있습니다.

프로세스는 실행 중인 프로그램을 의미합니다. 스레드는 실행 제어만 분리한 것을 의미합니다.
프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당하지만, 스레드는 프로세스로부터 자원을 할당받고, 프로세스의 코드 / 데이터 / 힙 영역을 공유하기 때문에 좀 더 효율적으로 통신할 수 있습니다. 또한, 컨텍스트 스위칭도 캐시 메모리를 비우지 않아도 되는 스레드 쪽이 빠릅니다. 그리고, 스레드는 자원 공유로 인해 문제가 발생할 수 있으니 이를 염두에 둔 프로그래밍을 해야합니다.
한 프로세스 안에 여러 개의 스레드가 생성할 수 있습니다.

컨텍스트 스위칭이란?

컨텍스트 스위칭은 한 Task가 끝날 때까지 기다리는 것이 아니라 여러 작업을 번갈아 가며 실행해서 동시에 처리될 수 있도록 하는 방법입니다.
인터럽트가 발생하면 현재 프로세스의 상태를 PCB에 저장하고 새로운 프로세스의 상태를 레지스터에 저장하는 방식으로 동작합니다. 이 때, CPU는 아무런 일을 하지 않으므로 잦은 컨텍스트 스위칭은 성능저하를 일으킬 수 있습니다.

스레드와 프로세스의 동작 방식이 약간 상이한데, 스레드는 캐시메모리나 PCB에 저장해야하는 내용이 적고, 비워야 하는 내용도 적기 때문에 상대적으로 더 빠른 컨텍스트 스위칭이 일어날 수 있습니다.

동기와 비동기의 차이(블로킹, 넌블로킹) / 장단점

동기 / 비동기는 두 개 이상의 무엇인가가 시간을 맞춘다 / 안맞춘다로 구분할 수 있습니다. 메서드 리턴과 결과를 전달받는 시간이 일치하면 동기입니다. 또, A가 끝나는 시간과 B가 시작하는 시간이 같으면 동기입니다.

블로킹 / 넌블로킹은 동기, 비동기와는 관점입니다. 내가 직접 제어할 수 없는 대상(I/O, 멀티스레드)을 상대하는 방법입니다.

보통 비동기 방식은 여러 개의 처리가 함께 일어나기 때문에, CPU 리소스를 많이 사용하는 작업을 비동기로 처리하게 되면 과부화가 걸릴 수 있습니다.

블로킹 방식은 대상의 작업이 끝날 때까지 제어권을 대상이 가지고 있는 것을 의미합니다. 그리고 논블로킹은 해당 작업 완료 여부와 상관없이 자신의 작업을 그대로 수행합니다.

동기 논블로킹은 계속해서 polling을 수행하기 때문에 컨텍스트 스위칭이 지속적으로 발생해 지연이 발생합니다.

멀티스레드 프로그래밍에 대해 설명

멀티스레드 프로그래밍은 하나의 프로세스에서 여러 개의 스레드를 만들어 자원의 생성과 관리의 중복을 최소화하는 것을 멀티스레드 프로그래밍이라고 합니다.

장점

멀티 프로세스에 비해 메모리 자원 소모가 줄어듭니다.
힙 영역을 통해서 스레드 간 통신이 가능해서 프로세스 간 통신보다 빠릅니다.
스레드의 컨텍스트 스위칭은 프로세스의 컨텍스트 스위칭보다 빠릅니다.

단점

힙 영역에 있는 자원을 사용할 때는 동기화를 해야합니다.
동기화를 위해서 락을 과도하게 사용하면 성능이 저하될 수 있습니다.
하나의 스레드가 비정상적으로 동작하면 다른 스레드도 종료될 수 있습니다.

Thread-safe 하다는 의미와 설계 방법

두 개 이상의 스레드가 race condition에 들어가거나 같은 객체에 동시에 접근해도 연산 결과의 정합성이 보장될 수 있게끔 메모리 가시성이 확보된 상태를 의미합니다.

java.util.concurrent 패키지 하위의 클래스를 사용합니다.
인스턴스 변수를 두지 않습니다.
singleton 패턴을 사용합니다. (이 때, 일반적으로 구현하는 Singleton Pattern은 Thread-safe하지 않습니다.)
동기화 블럭에서 연산을 수행합니다.

프로세스 동기화 ?

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프로세스가 서로 협력하며 공유 자원을 사용하는 상황에서, 경쟁 조건이 발생하면 공유 자원을 신뢰할 수 없게 만들 수 있는데 이를 방지하기 위해 프로스세들이 공유 자원을 사용할 때 특별한 규칙을 만드는 것이 프로세스 동기화입니다.

Race Condition (경쟁 조건) : 여러 프로세스 (또는 스레드)가 공유 자원에 동시에 접근할 때, 공유 자원에 대한 접근 순서에 따라 실행 결과가 달라질 수 있는 상황입니다.
Critical Section (임계 구역) : 여러 프로세스 (또는 스레드)가 자원을 공유하는 상황에서, 하나의 프로세스(스레드)만 접근할 수 있도록 제한해둔 코드 영역입니다.

임계 구역 문제를 해결하기 위한 조건(모두 충족해야함)

상호 배제 (Mutual Exclusion) : 어떤 프로세스 (또는 스레드)가 임계 구역에서 접근할 수 없습니다.
진행 (Progress) : 임계 구역에서 작업 중인 프로세스가 없다면, 임계 구역으로 진입하려는 프로세스 중 하나를 적절히 선택하여 임게 구역에 진입할 수 있게 해야 합니다.
유한 대기 (Bounded Waiting) : 다른 프로세스의 기아(Starvation)을 방지하기 위해, 임계 구역에 한 번 접근했던 프로세스는 다시 임계 구역에 들어갈 때 제한을 두어야 합니다.

교착상태와 기아 상태의 해결 방법

교착상태(DeadLock)는 서로 다른 프로세스가 서로 점유하고 있는 자원의 반납을 대기하고 있는 상태를 의미합니다.

발생 조건

상호 배제 : 한 번에 한 프로세스만 해당 자원을 사용할 수 있어야 합니다.
점유 대기 : 할당된 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다립니다.
비선점 : 다른 프로세스가 자원의 사용을 끝날 때까지 자원을 뺏을 수 없습니다.
순환대기 : 각 프로세스가 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 가지고 있습니다.

해결 방법

예방 : 4가지 조건 중 하나라도 만족되지 않도록 합니다.
회피 : 알고리즘을 데드락이 발생하지 않도록 합니다.
회복 : 교착상태가 발생할 때, 해결합니다.
무시 : 회복 과정의 성능저하가 심하다면 그냥 무시합니다.

기아 상태(Starvation)은 여러 프로세스가 부족한 자원을 점유하기 위해 경쟁할 때, 특정 프로세스가 영원히 자원 할당이 되지 않는 경우입니다.

우선 순위를 변경합니다. (우선 순위를 수시로 변경하거나, 오래 기다린 프로세스의 우선순위를 높여주거나, 큐를 사용합니다.)

세마포어와 뮤텍스의 차이

세마포어는 여러 개의 프로세스가 접근 가능한 공유자원을 관리하는 방식이고, 뮤텍스가 될 수 있지만, 뮤텍스는 한 번에 한 개의 프로세스만 접근 가능하도록 관리하는 방식입니다. 따라서 뮤텍스는 세마포어가 될 수 없습니다.

또, 세마포어는 다른 프로세스가 세마포어ㄹ를 해제할 수 있지만, 뮤텍스는 락을 획득한 프로세스만 락을 반환할 수 있습니다.

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