뜨균이의 개발 생활

스레드와 동시성

운영체제(OS)에서 스레드와 동시성에 대해 알아보겠습니다.

1. OS 스레드 (Operating System Threads)
스레드는 프로세스 내에서 실행되는 독립적인 실행 흐름입니다. 
스레드는 여러 개의 스레드를 포함할 수 있는 프로세스와 대비되는 개념입니다. 
각 스레드는 자신만의 스택, 프로그램 카운터, 레지스터를 가지고 있지만, 프로세스의 다른 스레드와는 코드, 데이터, 파일 디스크립터와 같은 자원을 공유합니다.

주요 특징

경량성

스레드는 프로세스보다 더 적은 자원을 사용하여 생성되고 관리됩니다.

공유 메모리

같은 프로세스 내의 스레드들은 메모리를 공유하므로, 데이터를 주고받을 때 추가적인 IPC(Inter-Process Communication)가 필요하지 않습니다.

병렬 처리

멀티코어 CPU 환경에서는 여러 스레드를 병렬로 실행할 수 있어 성능을 향상시킬 수 있습니다.

2. 동시성 (Concurrency)
동시성은 동시에 여러 작업을 수행하는 능력을 의미합니다. 
이는 반드시 병렬성을 의미하지는 않으며, 싱글 코어 CPU에서도 동시성을 구현할 수 있습니다. 
동시성의 목표는 시스템 자원을 효율적으로 사용하는 것입니다.

동시성의 주요 형태

멀티스레딩 (Multithreading)

하나의 프로세스 내에서 여러 스레드를 실행하는 방식입니다. 
각 스레드는 독립적으로 실행되며, 서로 자원을 공유합니다.

멀티프로세싱 (Multiprocessing)

여러 개의 프로세스를 동시에 실행하는 방식입니다. 
각 프로세스는 독립적인 메모리 공간을 가지며, 프로세스 간 통신은 IPC를 통해 이루어집니다.

비동기 프로그래밍 (Asynchronous Programming)

작업이 완료될 때까지 기다리지 않고, 다른 작업을 수행하는 방식입니다. 
일반적으로 이벤트 루프나 콜백을 사용합니다.

스레드와 동시성의 차이점

스레드

동시성을 구현하는 한 방법으로, 하나의 프로세스 내에서 여러 실행 흐름을 통해 동시성을 구현합니다.

동시성

여러 작업을 동시에 처리하는 개념으로, 스레드뿐만 아니라 멀티프로세싱, 비동기 프로그래밍 등을 포함합니다.

동시성의 장점

성능 향상

특히 멀티코어 시스템에서 병렬 처리를 통해 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.

응답성 향상

사용자 인터페이스를 차단하지 않고 백그라운드에서 작업을 수행할 수 있어 응답성을 향상시킬 수 있습니다.

리소스 효율성

I/O 대기 시간 동안 CPU를 다른 작업에 활용할 수 있어 리소스를 효율적으로 사용할 수 있습니다.

동시성의 단점

복잡성 증가

동시성 프로그래밍은 동기화 문제, 레이스 컨디션, 데드락 등의 문제를 유발할 수 있어 코드의 복잡성이 증가합니다.

디버깅 어려움

동시성 관련 버그는 재현하기 어려워 디버깅이 어렵습니다.

오버헤드

스레드 관리와 컨텍스트 스위칭에 따른 오버헤드가 발생할 수 있습니다.

동시성 문제와 해결책

데드락 (Deadlock)

두 개 이상의 스레드가 서로 상대방의 자원을 기다리며 무한 대기 상태에 빠지는 문제입니다. 
해결책으로는 자원 획득 순서를 정하거나 타임아웃을 설정하는 방법이 있습니다.

경쟁 상태 (Race Condition)

두 개 이상의 스레드가 공유 자원에 동시에 접근할 때 발생하는 문제입니다. 
동기화 메커니즘(예: synchronized 블록, Lock 객체)을 사용하여 해결할 수 있습니다.

기아 (Starvation

한 스레드가 자원을 오랜 시간 동안 얻지 못하는 상태입니다. 
공정한 자원 할당 정책을 통해 해결할 수 있습니다.

동시성을 효과적으로 구현하려면 적절한 동기화 기법을 사용하고, 동시성 문제를 방지하기 위한 전략을 잘 설계하는 것이 중요합니다.