Multi Process 와 Multi Thread
멀티 프로세스와 멀티 스레드는 한 애플리케이션에 대한 처리방식으로 멀티 프로세스와 멀티 스레드는 여러 개의 프로세스, 스레드가 동작하는 것이다.
Multi Process
멀티 프로세스는 운영체제에서 하나의 응용 프로그램에 대해 동시에 여러 개의 프로세스를 실행할 수 있게 하는 기술.
하나의 프로그램 실행에 대해 하나의 프로세스가 메모리에 생성되지만, 부가적인 기능을 위해 여러 개의 프로세스를 생성하는 것이다.
멀티 프로세스 vs 멀티 프로세서
프로세스(Process)는 프로그램의 실행 상태를 말하고, 프로세서(Processer)는 CPU 코어를 말한다.
멀티 프로세스는 하나의 프로그램에서 여러 개의 프로세스를 실행하는 것을 의미하고,
멀티 프로세서는 여러 개의 CPU 코어가 하나의 시스템에서 동시에 실행되는 것을 의미한다.
멀티 프로세스 내부를 보면, 하나의 부모 프로세스가 여러 개의 자식 프로세스를 생성함으로서 다중 프로세스를 구성하는 구조이다.
한 프로세스는 실행되는 도중 프로세스 생성 시스템 콜을 통해 새로운 프로세스들을 생성할 수 있는데, 다른 프로세스를 생성하는 프로세스를 부모 프로세스(Parent Process)라 하고, 다른 프로세스에 의해 생성된 프로세스를 자식 프로세스(Child Process)라 한다.
부모 프로세스와 자식 프로세스는 각각 고유한 PID(Process ID)를 가지고 있다. 부모 프로세스는 자식 프로세스의 PID를 알고 있으며, 이를 통해 자식 프로세스를 제어할 수 있다.
또한, 자식 프로세스는 부모 프로세스의 PID와 PPID(Parent Process ID)를 알고 있어, 이를 통해 부모 프로세스와 통신이 가능하다.
통신이 가능할 뿐이지, 부모 프로세스와 자식 프로세스는 엄연히 서로 다른 프로세스로 독립적으로 실행되며, 독립적인 메모리 공간을 가지고 있어 서로 다른 작업을 수행한다.
예시로는 웹 브라우저 상단 탭(Tab) 이나 새 창이 있다. 각 브라우저 탭은 같은 브라우저 프로그램이지만, 각기 다른 사이트 실행을 하기 때문이다.
브라우저 멀티 프로세스 원리를 확인하기 위한 간단한 실험도 가능한데, 여러 개의 탭을 띄운 뒤, 하나의 탭에서 F12로 개발자 도구를 열고 콘솔 탭에 While(1) {} 무한 루프 코드를 실행시키면 해당 탭은 먹통이 되지만, 다른 탭에서는 정상적으로 브라우징이 가능하다.
이는 탭 마다 다른 프로세스로 동작하기 때문이다.
멀티 프로세스의 장점
1. 프로그램 안정성
멀티 프로세스는 각 프로세스가 독립적인 메모리 공간을 가지므로, 한 프로세스가 비정상적으로 종료되어도 다른 프로세스에 영향을 주지 않는다.
그래서 프로그램 전체의 안전성을 확보할 수 있다는 장점이 있다.
크롬 브라우저에 여러 개의 탭을 띄우고 여러 곳의 웹 사이트를 방문해 서비스를 이용할 때 하나의 탭이 오류로 인해 동작하지 않더라도 다른 탭은 문제 없이 사용 가능한 이유는 자식 프로세스가 여러 개 생성되어 메모리에 별도로 관리되기 때문이다.
2. 프로그램 병렬성
멀티 프로세스와 여러 개의 CPU 코어를 활용하여 둘의 시너지를 합쳐, 다중 CPU 시스템에서 각 프로세스를 병렬적으로 실행하여 성능을 향상 시킬 수 있다.
예를 들어 이미지 처리나 비디오 인코딩과 같은 작업을 여러 개의 코어나 CPU에 분산시켜 빠르게 처리할 수 있다.
다만, 이 부분은 멀티 프로세스 만의 장점이 아니라, 멀티 프로세스와 멀트 스레드 둘의 장점이다.
멀티 스레드로 구성하는 것이 멀티 프로세스로 구성하는 것보다 훨씬 효율적이고 빠르기 때문에, 멀티 프로세스로 성능을 올리는 행위는 거의 없다.
3. 시스템 확장성
멀티 프로세스는 각 프로세스가 독립적이므로, 새로운 기능이나 모듈을 추가하거나 수정할 때 다른 프로세스에 영향을 주지 않아 시스템의 규모를 쉽게 확장할 수 있다.
분산 서버를 예로 들면 대규모 웹 서비스에서는 수 많은 요청을 동시에 처리하기 위해 여러 대의 서버를 두고 로드 밸런서(Load Balancer)와 같은 장비를 사용하여 클라이언트 요청 트래픽을 분산 시킨다. 이때 여러 대의 서버는 컴퓨터 여러 개일 수도 있고, 하나의 성능 좋은 컴퓨터에 여러 개의 서버 프로세스를 두는 것일 수도 있다(멀티 프로세스의 상황은 후자이다).
서버 클러스터는 하나의 컴퓨터에 여러 개의 서버 프로세스를 띄움으로써 요청을 분산시키는 거승로 Node.js에서는 대표적으로 PM2가 있다.
멀티 프로세스를 사용해 여러 대의 서버에 요청을 분산시켜 처리함으로써, 시스템의 규모를 쉽게 확장할 수 있으며, 부가로 서버의 장애나 다운 타임을 최소화할 수 있게 되는 것이다.
멀티 프로세스의 단점
1. Context Switching Overhead
멀티 태스킹(multi tasking)을 구성하는데 핵심 기술인 컨텍스트 스위칭(context switching) 과정에서 성능 저하가 올 수 있다.
특히나 프로세스 컨텍스트 스위칭을 하면, CPU는 다음 프로세스의 정보를 불러오기 위해 메모리를 검색하고, CPU 캐시 메모리를 초기화하며, 프로세스 상태를 저장하고, 불러올 데이터를 준비해야 하기 때문에, 이로 인한 빈번한 Context Switching 작업으로 인해 비용 오버헤드가 발생할 수 있게 된다.
스레드를 컨텍스트 스위칭하면 프로세스 스위칭보다 가벼워 훨씬 빠르고 좋다.
멀티 프로세스 환경에서는 Context Switching Overhead를 최소화하는 방법이 중요하다.
이를 위해 프로세스 수를 적정하게 유지하거나, I/O 바운드 작업이 많은 프로세스와 CPU 바운드 작업이 많은 프로세스를 분리하여 관리하고, CPU 캐시를 효율적으로 활용하는 등의 방법을 고려해 봐야 한다.
2. 자원 공유 비효율성
멀티 프로세스는 각 프로세스가 독립적인 메모리 공간을 가지므로, 결과적으로 메모리 사용량이 증가하게 된다.
만일 각 프로세스 간에 자원 공유가 필요할 경우 프로세스 사이의 어렵고 복잡한 통신 기법인 IPC(Inter-Process Communication)을 사용해야 한다.
IPC란 운영체제 상에서 실행 중인 프로세스 간에 정보를 주고 받는 메커니즘을 말한다. 이를 위해 파이프, 소켓, 메시지 큐 등 다양한 방법이 사용된다.
그런데 IPC 자체로 오버헤드가 발생하는데, 예를 들어 파이프나 소켓과 같은 IPC 기법은 데이터를 복사하거나 버퍼링하는 과정에서 성능 저하가 발생할 수 있고, 코드의 복잡도도 증가시킨다.
Multi Thread
스레드는 하나의 프로세스 내에 있는 실행 흐름이고, 멀티 스레드는 하나의 프로세스 안에 여러 개의 스레드가 있는 것이고, 그래서 하나의 프로그램에서 두 가지 이상의 동작을 동시에 처리하도록 하는 행위가 가능해진다.
웹 서버는 대표적인 멀티 스레드 응용 프로그램으로 사용자가 서버 데이터베이스에 자료를 요청하는 동안 브라우저의 다른 기능을 사용할 수 있는 것도 멀티 스레드 기능 덕이다.
하나의 스레드가 지연되더라도, 다른 스레드는 작업을 지속할 수 있는 것이다.
웹 브라우저를 예로 들면 멀티 프로세스는 웹 브라우저에서의 여러 탭이나 여러 창이고, 멀티 스레드는 단일 탭 또는 창 내에서 브라우저 이벤트 루프, 네트워크 처리, I/O 및 기타 작업을 관리하고 처리하는데 사용된다.
멀티 스레드의 장점
윈도우, 리눅스 등 많은 운영체제들이 멀티 프로세싱을 지원하지만 멀티 스레딩을 기본으로 한다.
멀티 프로세스보다 멀티 스레드로 프로그램을 실행하는 것이 유리한 이유이자 스레드 자체의 장점은 아래와 같다.
1. 스레드는 프로세스보다 가벼움
스레드는 프로세스보다 용량이 가볍고, 프로세스 내에서 생성되기 때문에 스레드의 실행 환경을 설정하는 작업이 매우 간단하여 생성 및 종료가 빠르다.
스레드는 프로세스와 다르게 코드, 데이터, 스택 영역을 제외한 나머지 자원을 서로 공유하기 때문에 기본적으로 내장되어 있는 데이터 용량이 프로세스보다 작아서 스레드를 생성하고 제거할 때, 프로세스 내부의 자원만 관리하면 되서 프로세스의 생성, 제거보다 훨씬 빠르다.
2. 자원의 효율성
멀티 스레드는 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드가 생성되기 때문에, heap 영역과 같은 공유 메모리에 대해 스레드 간에 자원을 공유할 수 있다.
이를 통해, 프로세스 간 통신(IPC)를 사용하지 않고도 데이터를 공유할 수 있어 자원의 효율적인 활용이 가능해 시스템 자원 소모가 줄어든다.
3. Context Switching 비용 감소
스레드에도 컨텍스트 스위칭 오버헤드가 존재한다. 하지만 상대적으로 프로세스 컨텍스트 스위칭 오버헤드보다 훨씬 낮아 비용이 낮다는 장점이 있다.
프로세스 컨텍스트 스위칭 비용은 스위칭 시 CPU 캐시에 있는 내용을 모두 초기화하고, 새로운 프로세스 정보를 CPU 캐시에 적재해야 하므로 높은 비용이 들지만, 스레드 컨텍스트 스위칭 비용은 스위칭 시 스레드 간에 공유하는 자우너을 제외한 스레드 정보(stack, register)만을 교체해서 프로세스 컨텍스트 스위칭 비용보다 상대적으로 낮다.
4. 응답 시간 단축
멀티 스레드는 스레드 간 통신이나 자원 공유가 용이하며, 프로세스보다 가벼워 컨텍스트 스위칭 오버헤드가 작아서 멀티 프로세스보다 응답 시간이 빠르다.
웹 서버에서 클라이언트 요청을 처리하는 경우, 멀티 프로세스 방식에서는 각 요청마다 프로세스를 생성하여 처리해야 하므로 오버헤드가 크지만, 멀티 스레드 방식에서는 여러 개의 스레드가 하나의 프로세스 내에서 요청을 처리할 수 있어 오버헤드가 감소해 더 빠른 응답 시간을 보장할 수 있다.
멀티 프로세서 환경에서 멀티 스레드를 사용해 작업을 처리하는 것이 멀티 프로세스를 사용하는 것보다 더 효율적이다.
멀티 스레드의 단점
1. 안정성 문제
멀티 프로세스 모델에서는 각 프로세스가 독립적으로 동작하므로 하나의 프로세스에서 문제가 발생해도 다른 프로세스들은 영향을 받지 않아 프로그램이 죽지 않고 계속 동작할 수 있다.
멀티 스레드 모델에서는 기본적으로 하나의 스레드에서 문제가 발생하면 다른 스레드들도 영향을 받아 전체 프로그램이 종료될 수 있다.
이는 프로그래머의 역량에 따라 극복할 수 있는데, 예를 들어 스레드에 에러가 발생할 경우 이에 대한 적절한 예외 처리나, 에러 발생 시 새로운 스레드를 생성하거나 스레드 풀(Thread Pool)에서 잔여 스레드를 가져오는 식으로 프로그램 종료를 방지할 수 있지만, 새로운 스레드 생성이나 놀고 있는 스레드 처리에 추가 비용이 발생하게 된다.
2. 동기화로 인한 성능 저하
멀티 스레드 모델은 여러 개의 스레드가 공유 자원에 동시에 접근할 수 있기 때문에, 동기화 문제가 발생할 수 있다.
여러 스레드가 동시에 한 자원을 변경해 버리면 의도하지 않은 엉뚱한 값을 읽어 서비스에 치명적인 버그가 발생할 수도 있다.
스레드 간 동기화(syncronized)는 데이터 접근을 제어하기 위한 필수적인 기술이다.
동기화 작업은 여러 스레드들이 자원에 대한 접근을 순차적으로 통제하는 것으로 동시 접근으로 인한 동시 수정과 같은 현상을 방지할 수 있지만, 여러 스레드 접근을 제한하는 것으로 인해 병목 현상이 발생해 성능이 저하될 가능성이 높아진다.
이를 해결하기 위해 임계 영역에 대해 뮤텍스 또는 세마포어 방식을 활용한다.
- 임계 영역(Critical Section)
- 멀티 스레드 프로그래밍에서 임계 영역은 공유 자원에 접근하는 코드 영역이다. 대표적으로 전역 변수나 heap 메모리 영역이 있다.
- 뮤텍스(Mutex)
- 공유 자원에 대한 접근을 제어하기 위한 상호 배제 기법 중 하나로, 임계 영역에 진입하기 전에 락(lock)을 획득하고, 임계 영역을 빠져나올 때 락을 해제해 다른 스레드들이 접근할 수 있도록 한다.
- 1개의 스레드만이 공유 자원에 접근할 수 있도록 제어하는 기법
- 세마포어(Semaphore)
- 동시에 접근 가능한 스레드의 개수를 지정할 수 있다. 세마포어 값이 1이면 뮤텍스와 동일한 역할을 하고, 값이 2 이상이면 동시에 접근 가능한 스레드 수를 제어할 수 있다.
- 스레드가 임계 영역에 접근하기 전에 세마포어 값을 확인하고, 값이 허용된 범위 내에 있을 때만 락을 획득할 수 있는 방식(뮤텍스의 상위 호환)
3. 데드락(교착 상태)
Deadlock은 다수의 프로세스나 스레드가 서로 자원을 점유하고, 다른 프로세스나 스레드가 점유한 자원을 기다리는 상황에서 발생하는 교착 상태를 말한다.
여러 개의 스레드가 서로 대기하면서 무한정 기다리게 되는 무한 루프와 같은 증상이다.
스레드 1이 자원 A를 점유하고 있는 상태에서 자원 B가 필요하고 스레드 2가 자원 B를 점유하고 있는 상태에서 자원 A가 필요한 상황이지만, 스레드 1은 자원 B가 필요한 상황에서 자원 A를 빌려줄 수 없고, 스레드 2도 마찬가지이기 때문에 다수의 스레드가 같은 lock을 동시에, 다른 명령에 의해 획득하려 할 때 서로 불가능한 일을 계속적으로 기다리는 상황이 된다.
이런 현상은 스레드의 특징인 공유 자원에 대한 동시 엑세스로 인한 문제로, 이를 방지하기 위해 상호배제(Mutual Exclusion), 점유와 대기(Hold and Wait), 비선점(No Preemption), 순환 대기(Circular Wait) 등의 알고리즘을 사용해야 한다.
데드락은 멀티 스레드만의 단점이라기 보단 멀티 프로세스와 스레드 모델의 공통된 문제점이다.
프로세스끼리는 기본적으로 독립적인 메모리 공간이지만 IPC를 통해공유 자원을 사용할 수 있기 때문에 멀티 스레드와 똑같이 교착 상태에 빠질 수 있기 때문이다.
4. Context Switching Overhead
멀티 프로세스 보다 멀티 스레드의 컨텍스트 스위칭 오버헤드가 작아 성능에는 유리하지만, 컨텍스트 스위칭 오버헤드 비용 자체를 무시할 수 없다.
특히 스레드 수가 많을수록 그만큼 컨텍스트 스위칭이 많이 발생하고 이는 성능 저하로 이어지는데, 이는 스레드를 많이 쓸수록 항상 성능이 좋아질까에 대한 의문으로 이어진다.
5. 디버깅이 어려움
멀티스레드를 사용하면 여러 개의 스레드가 동시에 실행되기 때문에, 각 스레드의 동작을 추적하기 어려울 수 있다.
코드를 디버깅하는 도중에 다른 스레드가 실행되어 예기치 않은 결과가 발생할 수 있으며, 또한 어떤 스레드가 언제 어떤 자원에 접근하고, 어떤 순서로 실행되는지 등을 파악하기 어려울 수 있다.
따라서 스레드 간의 상호작용과 동기화 기법을 잘 이해하고, 디버깅 도구를 적극적으로 활용해야 한다.
