🤎 운영체제 - 멀티태스킹, 멀티스레딩, 멀티프로세싱

용어 정리

프로그램(program)

컴퓨터가 실행할 수 있는 명령어들의 집합

프로세스(Process)

컴퓨터에서 실행 중인 프로그램을 의미함.

각각의 프로세스는 독립된 메모리 공간을 할당 받음.

명령어들과 데이터를 가짐.

CPU(Central Processing Unit)

명령어를 실행하는 연산 장치

메인 메모리(main memory)

프로세스가 CPU에서 실행되기 위해 대기하는 곳

IO(Input/output)

파일을 읽고 쓰거나 네트워크의 어딘가와 데이터를 주고 받는 것

입출력 장치와 데이터를 주거나 받는 것

단일 프로세스 시스템

한 번에 하나의 프로그램만 실행됨

• 단점

  

  • Program1이 작업을 하고 IO 작업을 하는 동안 CPU는 작업을 하지 않음. IO작업을 끝내고 다시 Program1이 작업을 하다 IO 작업을 하면 CPU는 동작하지 않음.

  • 즉, CPU 사용률이 좋지 않음

• 해결책

  • 여러 개의 프로그램을 메모리에 올려놓고 동시에 실행시킴. IO 작업이 발생하면 다른 프로세스가 CPU에서 실행됨.

• 해결책의 예제

  

해당 그림은 단일 프로세스를 보완하고 Program1이 IO 작업중이면 다른 프로그램인 Program2가 CPU에서 작업하는 것을 반복함.

이러한 시스템을 멀티프로그래밍(multiprogramming)이라고 함.

멀티 프로그래밍(multiprogramming)

• 여러개의 프로그래밍이 동시에 실행됨.

• 목적

  • CPU 사용률을 극대화 시키는 것

• 단점

  • CPU 사용 시간이 길어지면 다른 프로세스는 계속 대기하게 됨.

  • Program1이 CPU에서 많은 시간을 소요한다면 Program2는 Program1이 작업을 끝내야만 이후에 사용할 수 있게 됨.

• 해결책

  • 프로세스는 한번 CPU를 사용할 때 아주 짧은 시간(=quantum)만 CPU에서 실행되도록 하기

• 해결책의 예제

  

해당 그림과 같이 CPU를 사용할 때 짧은 시간동안 번갈아가면서 실행되게 함.

이러한 시스템을 멀티태스킹(multitasking)이라고 함.

멀티태스킹(multitasking)

응답성이 안 좋을 수 있다는 멀티프로그밍의 단점을 보완.

• 목적

  • 프로세스의 응답 시간을 최소화 시키는 것

  • 프로세스들의 CPU 사용 시간을 아주 작게 쪼개서 프로세스들이 교대로 실행하게 하는 것. 즉, 어떤 프로세스를 실행해도 즉각적인 반응을 받을 수 있도록 함.

• 단점

  • 여러 프로세스가 실행되는 건 가능해졌지만 하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 수행하지는 못함.

  • 프로세스의 컨텍스트 스위칭은 무거움.

    • 컨텍스트 스위칭 : 앞의 예제 그림처럼 하나의 프로세스에서 다른 프로세스로 교체되는 과정을 말함.

  • 프로세스끼리 데이터 공유가 까다로움.

    • 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가짐. 2개의 프로그램을 실행시킨다고 하면 독립적으로 존재하므로 프로세스 간의 데이터 공유가 까다로움.

하나의 CPU 성능을 계속 발전시키는 것이 발열 등의 이슈로 어려우니까 하나의 성능을 개선하기 보다 한 CPU 안에 2개의 코어를 둬서 전체적인 성능을 향상시키는 방향으로 전환함. 따라서 듀얼 코어가 나옴.

쓰레드(Thread)

등장 배경 : 한 프로세스 안에서 여러 개의 작업들을 동시에 수행시키고 싶었기 때문

따라서 프로세스는 한 개 이상의 스레드를 가질 수 있음.

CPU에서 실행되는 단위(unit of execution)

같은 프로세스의 스레드들끼리 컨텍스트 스위칭이 가벼움.

• 컨텍스트 스위칭 : 앞의 예제 그림처럼 하나의 프로세스에서 다른 프로세스로 교체되는 과정을 말함.

스레드는 자신이 속한 프로세스의 메모리 영역을 공유함.

• 코어가 1개인 경우

  출처 : 이미지 출처

• 코어가 2개인 경우

  출처 : 이미지 출처

  • 즉 병렬적으로 스레드가 실행되는 거니까 동시에 실행된다.

이런 종류의 시스템을 멀티스레딩(multithreading)이라고 한다.

멀티스레딩(multithreading)

하나의 프로세스가 두 개 이상의 스레드를 가지면서 실행되는 방식. 이때부터 CPU에서 실행되는 기본 단위는 프로세스가 아니라 스레드가 됐다고 봐도 무방함.

• 목적

  • 하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 실행하는 것

    • 여기서 여러 작업은 직전의 예제처럼 쓰레드들을 통해서 실행되는 것을 말함.

확장된 멀티태스킹 개념

여러 프로세스와 여러 스레드가 아주 짧게 쪼개진 CPU time을 나눠 가는 것

멀티프로세싱(multiprocessing)

두 개 이상의 CPU나 혹은 싱글 CPU라도 멀티 코어인 경우. 즉, 병렬적으로 실행 가능한 하드웨어인 경우

🔊 예제1) 싱글코어 CPU에 싱글-스레드 프로세스 두 개일 경우

종류	정답
멀티태스킹	⭕
멀티스레딩	❌
멀티프로세싱	❌

• 프로세스 2개가 하나의 CPU를 나누어서 사용해야 되므로 멀티 태스킹이다.

• 문제에 싱글-스레드라고 나와있기 때문에 멀티 스레딩이 아니다.

• 멀티프로세싱은 두 개 이상의 프로세스나 코어를 사용해야 하므로 아니다.

🔊 예제 2) 싱글코어 CPU에 듀얼-스레드 프로세스 한 개

종류	정답
멀티태스킹	⭕
멀티스레딩	⭕
멀티프로세싱	❌

• CPU 1개에 Thread 2개가 나누어 사용해야 하므로 멀티태스킹이다.

• 문제에 듀얼-쓰레드라고 되어있기 때문에 멀티스레딩이다.

• CPU가 1개이기 때문에 멀티프로세싱은 아니다.

🔊 예제 3) 듀얼코어 CPU에 싱글-스레드 프로세스 두 개

종류	정답
멀티태스킹	❌
멀티스레딩	❌
멀티프로세싱	⭕

• 코어를 가지고 경합하는 것이 아무것도 없기 때문에 멀티태스킹은 아니다.

• 싱글-스레드이기 때문에 멀티스레딩은 아니다.

• 코어가 2개이기 때문에 멀티프로세싱은 맞다.

🔊 예제 4) 듀얼코어 CPU에 듀얼-스레드 프로세스 한 개

종류	정답
멀티태스킹	❌
멀티스레딩	⭕
멀티프로세싱	⭕

• 코어에 Thread가 1:1 매핑이기 때문에 멀티태스킹은 아니다.

• 듀얼-스레드이기 때문에 멀티스레딩이 맞다.

• 코어가 2개이기 때문에 멀티프로세싱이 맞다.

🔊 예제 4) 듀얼코어 CPU에 듀얼-스레드 프로세스 두 개

종류	정답
멀티태스킹	⭕
멀티스레딩	⭕
멀티프로세싱	⭕

• 코어가 다 경합하고 있기 때문에 멀티태스킹이 맞다.

• 듀얼-스레드이므로 멀티스레딩이 맞다.

• 코어가 2개이기 때문에 멀티프로세싱이 맞다.

종류	정답
멀티태스킹	⭕
멀티스레딩	⭕
멀티프로세싱	⭕

• 코어 하나당 2개의 스레드가 경합하고 있으므로 멀티태스킹이 맞다.

• 듀얼-스레드이므로 멀티스레딩이 맞다.

• CPU에 코어가 2개이므로 멀티프로세싱이 맞다.

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