운영체제 : 병행 프로세스

 

오늘은 프로세스 중에서도 병행 프로세스에 대하여 공부를 해볼 것이다.

 

병행 프로세스는 성능향상을 위해서 병행 또는 병렬로 프로세스를 배치하는 방법을 말한다.

다음 그림 예제를 보며 확인해보자.

병행성과 병렬성의 예시

우선 병행 실행이라면, 하나의 CPU를 사용하는데 4개의 process가 n초씩 할당을 하며 돌아가면서 공평하게 실행되는 것이다. 이렇게 되면 내부적으로 동시에는 아니긴 하지만 동시에 실행되는 효과는 만들어낼 수 있다.

 

병렬 실행이라면, 두 개 이상의 CPU를 가지고서 실제로 동시에 process를 실행하는 것이다. 이는 CPU의 갯수가 많아지면

많아질수록 성능이 향상된다.

 

또한, 병생성이 높아지면 높아질수록 암달의 법칙에 의해서 성능이 더욱 더 향상된다.

암달의 법칙이란, 성능 <= 1 / ((1 - p) + P / N ) 를 한 것이다. 여기서 P는 프로그램에서 병행처리가 가능한 비율이고

N은 CPU의 개수이다.

 

하지만, 병행 프로그래밍을 할때 고려해야할 점이 있는데 다음과 같다.

1. 병행 프로세스들 간의 공유자원 문제

2. 병행 프로세스들 간의 상호통신 문제

3. 병행 프로세스들 간의 동기화 문제

 

선행그래프

선행그래프란, 병행성을 판별할 대 사용하는 기법 즉, tool이다.

예시를 그림으로 한 번 살펴보자.

선행그래프의 예시

이 그래프를 기준으로 말하자면, S1과 S2는 동시에 실행이 가능한 것이다.

(단, 실행순서 그래프에 사이클이 있으면 안된다.)

 

병렬 프로세스

---> 병렬 프로그래밍은 처리량을 균등하게 나누어서 처리해야한다

병렬 프로세스의 특징과 필요성을 한 번 알아보자.

(2개 이상의 프로세스를 물리적으로 동시에 실행시킨다) 

 

병렬 프로그래밍은 여러 개의 프로세스를 동시에 실행하는 것인데, 데이터 패럴러리즘과 테스크 패럴러리즘이 존재한다.

데이터 패럴리즘은 메모리에 저장된 데이터를 대신 분할하여 동시에 처리하려는 방식인데

서로 메모리에 접근하려다 보니 병목현상이 발생할 수 있다.

그래서 아예 분리시켜서 사용하는 것이 테스크 패럴리즘이다.

 

openMP :

병렬 프로그래밍을 위한 API도 존재하는데 C 계열 언어에 사용된다.

고성능 처리를 위해서 Multi CPU를 동시에 사용할 수 있도록 해주는 원리인데 이를 통해 

실행 시간을 줄여 성능을 올리는 것이다. 하지만 병렬 프로그래밍은 CPU의 부하를 증가시키기 때문에

신중하게 사용해야만 한다.

 

CUDA : 

2007년 GPU에서 고성능 처리를 위해 nvidia에 의해 개발된 HW/SW이다.

주로 AI나 블록체인 마이닝에서 활용이 된다

 

이제 가장 중요한 개념 중 하나인 상호개념(임계구역)에 대하여 한 번 알아보도록 하자.

- 프로세스가 동시 실행 시, 고유 자언을 통제하기 위해 상호 배제 전략을 사용한다.

- 상호 배제는 임계 영역에 먼저 진입하는 프로세스를 제어하는데, 프로세스가 임계영역에 

들어가려고 할때, 다른 프로세스의 임계영역 진입 시도를 차단하여 출구 영역을 설정하는 것이다.

 

상호배제의 예시 표

상호배제의 그림 설명 및 코드 설명

 

오늘은 기본적인 상호배제와 병렬 프로세스에 관해 알아보았다.

좀 더 자세히 알아보기 전에 기본을 확실히 알고 가자.