개요
해당 글에서는 프로세스와 쓰레드가 무엇인지에 대해서 정리를하고 Golang 언어에서 고루틴은 어떤 특정을 가지고 있으며 고루틴의 동작원리에 대해서 상세하게 알아봅니다.
프로세스
프로세스는 실행 중인 프로그램의 인스턴스입니다. 운영 체제가 프로그램을 메모리에 로드하고 실행할 때, 그 프로그램은 프로세스가 됩니다. 각 프로세스는 독립된 메모리 공간 (코드, 데이터, 힙, 스택 등) 을 가지며, 다른 프로세스와 정보를 공유하지 않습니다.
유닉스계열 운영체제에서 (Mac/Linux) ps -ef 명령어를 하게 되면 실행중인 프로세스들에 대해서 확인하실 수 있습니다.
- UID: 프로세스를 실행하는 사용자의 ID.
- PID: Process ID, 프로세스의 고유 식별 번호.
- PPID: Parent Process ID, 프로세스의 부모 프로세스 ID.
- C: CPU 사용률.
- STIME: 프로세스가 시작된 시간.
- TTY: 프로세스가 연결된 터미널.
- TIME: 프로세스가 소비한 총 CPU 시간.
- CMD: 프로세스를 시작한 명령 라인.
부모 프로세스
모든 프로세스는 부모 프로세스를 가지고 있습니다. 운영 체제 내에서 프로세스 생성은 부모 프로세스가 자식 프로세스를 생성하는 계층적 구조로 이루어집니다. 이러한 구조는 몇 가지 중요한 특징을 가지고 있습니다.
- 초기 프로세스: 시스템이 부팅할 때, 운영 체제는 초기 프로세스를 시작합니다 (0번). 이 초기 프로세스는 모든 다른 사용자 수준 프로세스의 조상이며, 보통 ‘init’ 또는 이와 유사한 이름으로 불립니다.
- 부모-자식 관계: 사용자가 새 프로그램을 실행하거나 시스템이 새 서비스를 시작할 때, 기존 프로세스(부모)는 새 프로세스(자식)를 생성합니다. 이렇게 생성된 자식 프로세스는 또 다른 프로세스를 생성할 수 있으며, 이러한 방식으로 프로세스 트리가 형성됩니다.
- 프로세스 종료와 고아 프로세스: 부모 프로세스가 종료되고 자식 프로세스가 계속 실행 중인 경우, 자식 프로세스는 고아 프로세스(orphan process)가 됩니다. 고아 프로세스는 대부분의 시스템에서 ‘init’ 프로세스가 자동으로 채택하여 관리합니다.
- 종료 시 신호 전달: 일반적으로 부모 프로세스는 자식 프로세스의 종료 상태를 확인하고, 자식 프로세스가 종료될 때 자원을 정리합니다.
IPC
위에서 정리한 내용에서 프로세스간에는 독립된 메모리 공간을 가지고 있고 프로세스간에 정보를 공유하지 않는다고 하는데 그러면 프로세스간에 통신은 어떻게 할까요?
프로세스 간 통신 (IPC, Inter-Process Communication) 은 독립된 메모리 공간을 가진 프로세스들이 정보를 교환하고 협력할 수 있도록 하는 메커니즘입니다.
- 공유 메모리 (Shared Memory): 별도의 메모리 영역을 설정하여 여러 프로세스가 접근할 수 있도록 함으로써 간접적인 메모리 공유를 허용합니다.
- 메시지 큐 (Message Queues): 프로세스 간 메시지를 전달하는 방식으로 통신합니다.
쓰레드
쓰레드는 프로세스 내의 실행 흐름으로, 프로세스의 자원 (메모리, 파일 핸들 등) 을 공유합니다. 쓰레드는 프로세스 내에서 코드, 데이터, 힙 공간을 공유하면서 각자의 스택을 가지고 독립적으로 실행됩니다.
- 같은 프로세스 내의 쓰레드들은 메모리를 공유합니다. 따라서, 한 쓰레드가 데이터를 변경하면 다른 쓰레드도 그 변경 사항을 볼 수 있습니다.
- 쓰레드 간의 컨텍스트 스위칭은 상대적으로 오버헤드가 적습니다. 공유된 메모리 덕분에 효율적인 자원 사용이 가능합니다.
- 프로세스 생성은 상대적으로 시간과 자원을 많이 소모하지만 쓰레드의 경우에는 비교적 가볍게 생성하고 관리할 수 있습니다.
- 각 쓰레드는 고유의 스택을 할당받아, 스택에는 함수 호출, 지역 변수 등이 저장됩니다
- 데이터의 일관성을 유지하기 위해 뮤텍스, 세마포어 등의 동기화 메커니즘을 사용합니다.
- 쓰레드는 CPU 할당을 받아 독립적으로 명령을 실행합니다. 멀티코어 프로세서에서는 여러 쓰레드가 동시에 실행될 수 있습니다.
- 메모리를 공유하기 때문에 데이터 교환과 통신이 용이하지만, 이로 인한 동기화 문제가 있을 수 있습니다.
멀티코어 프로세서란?
멀티코어 프로세서는 여러 개의 CPU 코어를 하나의 칩에 통합한 것입니다. 각 코어는 독립적인 처리 장치로서 기능하며, 자체적인 연산을 수행할 수 있습니다. 이는 단일 코어 프로세서에 비해 동시에 더 많은 작업을 처리할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 4 코어 프로세서에서는 최대 4 개의 쓰레드가 동시에 실행될 수 있습니다.
간단하게 생각하면 코어 1 개당 작업하나를 처리할 수 있고 여러개의 코어를 가지고 있으면 동시에 여러일을 처리할 수 있습니다. 운영체제에서 병렬처리를 위한 방식들이 여럿있습니다.
- 멀티프로세싱
- 멀티테스킹
- 멀티쓰레딩
해당 주제로만 내용이 길어질수도 있어서 간략하게 해당 작업들을 보여주는 내용을들 도식화 해보았습니다. 위에 설명한 내용은 멀티프로세싱에 해당합니다. (코어당 1 개의 작업을 수행)
현대적인 운영체제에서는 CPU 를 최대한 활용하기 위해서 멀티프로세싱 뿐만아니라 아래 같은 작업들이 기본적으로 다 수행이 되고있습니다. 그렇게 때문에 우리는 현재에도 여러가지 프로그램들이 동시에 수행되는 것을 느낄 수 있습니다.
고루틴
고루틴은 Go 언어에서 도입된 경량 쓰레드입니다. 쓰레드보다 훨씬 적은 메모리를 사용하며, 수천 개의 고루틴을 쉽게 생성하고 관리할 수 있습니다. 고루틴은 Go 런타임에 의해 관리되며, 런타임 스케줄러는 이들을 여러 쓰레드에 효율적으로 분배합니다.
실제로 쓰레드 하나를 만들게되면 1MB정도의 메모리를 소비하게 되는데 고루틴의 경우에는 2KB정도의 메모리만 소비합니다.
CPU 와 쓰레드와 고루틴을 비유로하자면 아래처럼 설명할 수 있습니다. → 출처
위에 그림처럼 실행가능한 고루틴이 로컬 큐에 대기하고 있다가 만약에 시스템 스레드에 할당된 고루틴이 시스템콜이나 다른 모종의 이유로 대기 상태가 될 경우에는 대기하고 있던 고루틴이 작업영역으로 오는 형태로 수행이 됩니다. 그리고 유휴상태에 있던 고루틴은 로컬 큐에 대기해서 자신이 다시 요리할 때를 기다리게 됩니다.
이런 일련의 작업들이 고 런타임에 의해서 수행이되고 요즘 환경에는 멀티쓰레드로 돌아가기 때문에 유휴한 쓰레드가 없도록 런타임 스케쥴러에서 큐가 비어있다면 다른 쓰레드에 있는 큐를 비어있는 큐로 이동시키기도 합니다. (Go Work-Stealing)
정리
해당 글을 통해서 프로세스와 쓰레드가 무엇인지를 이해하고 Golang 의 핵심요소인 고루틴에 대해서 알아보았습니다. 고루틴이 좋다라고 말들은 많이하는데 구체적으로 왜 좋은지에 대해서는 상대적으로 고민을 덜하게 되는 것 같습니다.
고루틴의 모든 것을 알아본 것은 아니지만 고루틴이 쓰레드에 비해서 경량화되어 효율적으로 사용하고 관리할 수 있다는 점과 고 런타임 스케쥴러를 통해서 멀티코어의 이점을 살려줄 수 있다는 점들을 알아보았습니다.