멀티태스킹 보충자료

멀티스레드와 멀티프로세스

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1. 프로그램 실행이란?

• 프로그램은 실행되기 전에는 단순한 파일에 불과합니다.

• 운영체제가 프로그램 파일을 메모리에 로드하면서 프로세스가 생성됩니다.

• 프로세스 내의 코드가 한 줄씩 실행되며, 이를 스레드라고 합니다.

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2. 멀티태스킹

(1) 정의

• 여러 작업을 동시에 처리하는 것처럼 보이게 하는 운영체제의 기능.

• CPU는 초당 수십억 번 이상의 연산을 수행하며, 실행 시간을 분할하여 여러 작업을 처리(시분할 기법).

(2) 스케줄링

• 운영체제의 스케줄링:

  • 여러 작업 중 어떤 작업을 실행할지 결정.

  • 작업을 스케줄링 큐에서 하나씩 꺼내어 실행.

  • 작업 중단 시 스케줄링 큐로 다시 이동.

시분할 스케줄링 다이어그램

[작업 1] 0.01초 실행 → [작업 2] 0.01초 실행 → [작업 3] 0.01초 실행 ...

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3. 멀티프로세싱

(1) 정의

• 하나의 CPU가 아닌 여러 개의 CPU가 작업을 동시에 처리.

• 물리적 단위로, 각각의 CPU가 서로 다른 프로그램을 실행 가능.

(2) 특징

• 동시에 더 많은 작업을 처리할 수 있음.

• 각 CPU는 독립적으로 동작.

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4. 프로세스

(1) 정의

• 운영체제에서 실행 중인 프로그램의 인스턴스.

• 각각의 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지며, 서로 간섭할 수 없음.

(2) 프로세스의 메모리 구조

+----------------+
| 코드 섹션      | 프로그램 코드 저장
+----------------+
| 데이터 섹션    | 전역 변수, 정적 변수 저장
+----------------+
| 힙             | 동적 메모리 할당
+----------------+
| 스택           | 지역 변수, 반환 주소 저장 (스레드에 포함)
+----------------+

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5. 스레드

(1) 정의

• 프로세스 내에서 실행되는 작업 단위.

• 프로세스는 하나 이상의 스레드를 포함.

• 여러 스레드는 동일한 메모리 공간을 공유.

(2) 왜 멀티스레드가 필요한가?

• 하나의 프로그램 안에서 동시에 여러 작업을 처리하기 위해 필요.

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6. 멀티태스킹 vs 멀티프로세싱

특징	멀티태스킹	멀티프로세싱
정의	하나의 CPU가 작업 시간을 분할하여 여러 작업 처리	두 개 이상의 CPU를 활용하여 여러 작업 처리
작동 방식	논리적(시분할 기법)	물리적(독립적인 CPU 사용)
효율성	CPU가 많지 않아도 다중 작업 가능	CPU가 많을수록 더 많은 작업 처리 가능

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7. 스케줄링

(1) 단일 스레드 스케줄링

• 스케줄링 큐에서 하나씩 작업을 꺼내 처리하고, 다시 큐에 넣어 순서를 기다림.

[스레드 1] → 실행 → [스레드 2] → 실행 → [스레드 3] ...

(2) 멀티코어 스케줄링

• CPU가 여러 개일 경우, 각각의 CPU가 독립적으로 스레드를 처리.

[CPU 1]: [스레드 1] → [스레드 4] ...
[CPU 2]: [스레드 2] → [스레드 5] ...
[CPU 3]: [스레드 3] → [스레드 6] ...

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8. 프로세스 vs 스레드

특징	프로세스	스레드
정의	실행 중인 프로그램	프로세스 내에서 실행되는 작은 작업 단위
메모리 공간	독립적인 메모리 공간	동일한 메모리 공간 공유
간섭 여부	서로 간섭하지 않음	간섭 가능, 동기화 필요

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9. 컨텍스트 스위칭

(1) 정의

• CPU가 현재 작업(문맥)을 저장하고, 다음 작업으로 전환하는 과정.

• 비용 발생:

  • 스위칭 과정에서 작업 상태를 저장하고 복원해야 하기 때문에 오버헤드 발생.

(2) 단일 스레드의 장점

• 컨텍스트 스위칭이 없으므로 더 효율적일 수 있음.

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10. 웹 애플리케이션 서버와 스레드

(1) 스레드와 사용자 요청

• 하나의 사용자 요청을 처리하는 데 1개의 스레드 사용.

• 일반적으로 I/O 작업(네트워크 응답 대기 등)이 많아 CPU가 대기하는 시간이 발생.

(2) CPU와 스레드 개수

• CPU 코어 수보다 더 많은 스레드를 사용하여 다른 작업을 병렬 처리.

• 주의:

  • 너무 많은 스레드는 컨텍스트 스위칭 비용을 증가시켜 성능 저하.

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다이어그램: 프로세스와 스레드

+---------------------+
| 프로세스            |
| +-----------------+ |
| | 스레드 1        | |
| | 스레드 2        | |
| | 스레드 3        | |
| +-----------------+ |
+---------------------+

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정리

1. 멀티태스킹:

   • 하나의 CPU가 시간을 분할하여 여러 작업을 처리.

2. 멀티프로세싱:

   • 여러 CPU를 사용하여 여러 작업을 처리.

3. 프로세스:

   • 실행 중인 프로그램, 독립적인 메모리 공간.

4. 스레드:

   • 프로세스 내에서 실행되는 작업 단위.

5. 컨텍스트 스위칭:

   • 작업 간 전환에 따른 오버헤드 발생.

6. 웹 애플리케이션 서버:

   • I/O 중심 작업에서 CPU 코어 수보다 더 많은 스레드를 사용하여 효율성을 높임.