멀티 쓰레드로 동작하는 앱을 작성하고 싶을 때 고려할 수 있는 방식들을 설명하시오.

[Do-hyun-Kim]

멀티 쓰레드로 동작하는 앱을 작성하고 싶을 때 고려할 수 있는 방식들을 설명하시오.

Process란 무엇인가?

• 프로그램(Program)이 코드의 덩어리면, 프로세스(Process)는 프로그램을 실행 시켜 정적인 프로그램을 동적으로 변하여 프로그램이 돌아가고 있는 상태를 말한다.
• 컴퓨터에서 작업중인 프로그램을 의미하는 것이다.

프로세스(Process)란 실행되어 작업중인 컴퓨터 프로그램(Application)을 의미하며, 메모리에 이미 적재되어 있는 상태이고 CPU 자원을 할당 받아 프로그램이 실행되고 있는 상태를 의미한다. 즉 개발자가 구현한 코드를 실행한 것

thread란 무엇인가?

• 사전적 의미 : "프로세스(process) 내에서 실행되는 여러 흐름의 단위"
  • 프로세스의 특정한 수행 경로
  • 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

일반적으로 하나의 프로그램(Application)은 하나 이상의 프로세스(process)를 가지고 있고, 하나의 프로세스(process)는 반드시 하나 이상의 스레드(thread)를 갖는다. 즉 기본적으로 프로세스를 생성하면 하나 이상의 main thread를 생성하게 된다. 그 이후의 스레드 2, 스레드 3번은 개발자가 개별로 생성하게 된다.

multi thread

• 여러 개의 스레드를 동시에 실행 할 수 있으며, 하나의 프로세스(process) 내에서 여러개의 스레드(thread)가 존재하고, 스레드들이 프로세스의 자원을 공유하되 실행은 독립적으로 이루어 진다.
• 병렬성(Parallelism)은 CPU의 개수에 비례한다.

Swift Multi Thread 하기 위해서는?

• Grand Central Dispatch란 iOS에서 멀티 코어 프로세스(Process)에서 멀티 스레딩(Multi Threading)을 지원하게 해주는 API이다.
• Dispatch Queue를 작업(Task)를 보내면 그에 따라 스레드(thread) 적절히 생성해서 실행하고 작업이 종료 되면 스레드(thread)를 GCD가 자동으로 제거한다.
• Dispatch 프레임워크에는 DispatchQueue, DispatchWorkItem과같은 다양한 클래스가 존재한다.
• Dispatch Queue Global Queue , NSThread , NSOperation 를 사용하여 멀티 스레딩(Multi Threading)을 한다.

Multi Thread 장점

• 메모리 공간과 시스템 자원 소모를 줄일 수 있다.
• 프로세스간의 통신 방법에 비해 스레드(thread) 간에 통신 방법이 간단하며 (Grand Central Dispatch) Context Switching을 줄일 수 있다.

context switch : 하나의 프로세스가 CPU를 사용중인 상태에서 다른 프로세스를 CPU를 사용중인 사용하도록 하기위해, 이전의 프로세스의 상태(문맥)을 보관하고 새로운 프로세스의 상태를 적재하는 작업

Multi Thread 단점

• 하나의 스레드(thread)에서 문제가 발생시 전체 스레드가 영향을 받는다.
• 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 있다.

멀티스레딩 프로그래밍시 고려해야될 것

• UI 업데이트 관련된 것은 Main Thread(serial Queue) 에서 구현되어야 한다.
• 공유 자원에 대해 여러 개의 프로세스(process)가 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등의 결과 값에 영향을 줄 수 있는 경쟁 상태 (Race Condition) 가 발생 할 수 있다.

경쟁 상태(Race Condition)란 공유 자원 에 대해 여러개의 프로세스가 동시에 접근을 시도할때 접근의 타이밍이나 순서 등의 결과 값에 영향을 줄 수 있는 상태를 말한다. 동시에 접근할 때 자료의 일관성을 해치는 결과가 나타날 수 있다.

📝 참고 사이트

• 동시성과 관련된 문제들 (Concurrency Problems) 중 경쟁 상태(Race Condition)
• Apple documentation
• 프로세스와 스레드의 차이

[vichye-1]

프로세스란?

• 운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위
• 각각의 독립된 메모리 영역(Code, Data, Heap, Stack)을 각자 할당 받음
• 프로세스끼리는 서로의 변수나 자료구조에 접근할 수 없음
• A프로세스가 B프로세스 자원에 접근하려고하면 프로세스간 통신(IPC)을 사용해야 함(파일, 소켓 등)

스레드란?

• 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행의 흐름
• 프로세스가 아닌, 프로세스 내에서 동작되는 것이기 때문에 메모리 영역을 독립적으로 할당받지 못함
• code, data, heap 영역은 공유하고 stack 영역만 독립적으로 할당받을 수 있음
• 따라서 스레드들 끼리는 힙 영역을 공유하여 같은 자원을 접근할 수 있지만, 각자의 스택 영역은 서로 접근할 수 없음

멀티 스레드란?

• 하나의 프로그램을 여러 개의 스레드로 구성하여, 각 스레드마다 하나의 작업(Task)씩 처리하도록 하는 것
• 여러 개의 스레드가 동시에 진행되는 것. 하나의 프로세스 내에서 여러 개의 스레드가 존재하고, 스레드들이 프로세스의 자원을 공유하되 실행은 독립적으로 이루어지는 구조

  멀티 쓰레드의 장점

1. 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어든다
2. 쓰레드 간 code, data, heap 영역을 공유하기 때문에, context switching이 빠르다
3. 생성/종료 시간도 프로세스보다 빠르다
   • 프로세스를 생성하여 자원을 할당하는 게 아니기 때문
4. 프로세스간 통신 방법에 비해 스레드간의 통신 방법이 간단하다
   • stack영역을 제외하고 나머지 영역을 공유하기 때문에 통신 방법이 간단함

멀티 스레딩의 단점

1. 동기화 문제
   • 서로 다른 스레드가 데이터와 Heap 영역을 공유하고 있기 때문에 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용 중인 변수나 자료구조에 접근하여 엉뚱한 값을 읽어올 수 있다
2. 병목현상이 발생하여 성능이 저하될 가능성이 있다
   • 과도한 락(lock)으로 인한 병목현상을 줄여야한다

멀티 스레드를 사용하는 이유

• 시간이 오래 걸리는 작업을 진행할 때 어플리케이션의 실행을 방해하면 안 되기에 멀티 코어에서 큰 작업을 여러개로 분할해야한다. 이때 메모리 공간과 시스템 자원의 절약을 위해 사용한다.

멀티 쓰레딩 프로그래밍시 고려해야할 점

• UI 업데이트에 관한 작업들은 메인 쓰레드에서 구현되어야 한다.
• 스레드에 안전하지 않은(Thread-unsafe) 변수를 사용하면 서로 다른 스레드에서 동시에 접근할 때 위험하기 때문에 잘 체크해야 한다.
  1. Mutable, Immutable
  2. immutable한 인스턴스는 스레드에 안전(Thread-safe)하다. 즉, 여러 스레드에서 한번에 접근해도 문제가 되지 않는다.
  3. mutable한 인스턴스는 스레드에 안전(Thread-safe)하지 않지만 읽기 전용으로만 사용한다면 문제가 되지 않는다.
  4. 하지만, mutable한 인스턴스가 하나 이상의 스레드에서 변경이 이루어지면 문제가 발생한다.
  5. 프로퍼티 속성 - atomic, nonatomic
  6. 어떤 프로퍼티를 두 개의 스레드가 참조하고 있는 상황에서 해당 프로퍼티 접근자 메서드가 atomic하지 않는다면 값에 대한 싱크가 맞지 않아 문제가 발생할 수 있다. 이런 경우 atomic으로 설정되어야 한다
  7. 하지만, mutable한 인스턴스가 변경 중에 동시 접근할 경우가 없다면 nonatomic으로 사용해도 무방하다.
  8. Synchronized
  9. 메소드를 실행할 때 동시에 접근할 수 없도록 막고 싶을 때 해당 부분을 Lock을 걸 수 있다.
  10. Lock을 걸어줌으로써 한 스레드에서 해당 부분이 끝날 때까지 다른 스레드에서 접근할 수 없게 된다.
  11. GCD
  12. Swift에서 스레드 관련 작업은 Grand Central Dispatch API를 통해 처리한다.
  13. 클로저 블록 안에 있는 특정 작업을 큐에 올리고, 해당 큐를 특정 스레드에 실행하는 방식이다.
  14. GCD를 적절하게 사용하여 Thread-safe하게 구현해야 한다
  15. Class, Struct
  16. 클래스는 레퍼런스 타입, 구조체는 값 타입이다.
  17. 구조체가 파라미터로 전달될 때 스레드에 안전(Thread-safe)하다.

📝 참고

• https://gwangyonglee.tistory.com/47
• https://babbab2.tistory.com/63

[ronick-grammer]

멀티 쓰레드로 동작하는 앱을 작성하고 싶을 때 고려할 수 있는 방식들을 설명하시오.

프로세스 (Process)

운영체제로부터 시스템 자원을 할당받는 작업의 단위이다.

• 독립된 메모리 영역인 Code, Data, Heap, Stack 을 할당 받는다.
• 멀티 프로세스란 하나의 프로그램에서 작업을 처리하는 여러 프로세스를 구성한 프로세스이다.
• 장점: 각 프로세스당 독립된 메모리 영역을 가지기 때문에 안정성이 높다.
• 단점: 문맥교환이 일어날때 독립적인 메모리 영역을 가지기 때문에 CPU 부담과 오버헤드가 크다.

*문맥교환: 하나의 프로세스에서 다른 프로세스로 CPU 제어권이 이양되는 과정

스레드 (Thread)

한 프로세스 내에서 실행되는 실행 단위이다.

• 프로세스의 메모리 영역인 Code, Data, Heap은 공유하고 Stack 만 따로 할당 받는다.
• 멀티 스레드란 하나의 프로그램에서 작업을 처리하는 여러 스레드를 구성한 스레드이다.
• 장점: Code, Data, Heap 메모리 영역을 공유하기 때문에 문맥교환에 드는 비용이 적다.
• 단점: Stack 메모리 영역을 제외한 다른 메모리 영역들을 공유하기 때문에 데이터 동기화 문제 등이 발생할 수 있어 설계가 어렵다.

iOS 상에서의 멀티 스레드

• GCD(Grand Central Dispatch): 멀티 스레딩을 관리하기 iOS의 API이다. GCD는 Dispatch Queue를 사용해서 멀티 스레딩을 지원하며 Main Queue와 Global Queue 가 있다.
  • Main Queue: 메인 스레드에서 사용되는 직렬 큐로 UI 관련 작업을 처리하기 위해 사용된다.
  • Global Queue: 백그라운드 스레드에서 사용되는 동시 큐로 서버로 부터 데이터를 가져오는 등의 시간이 걸리는 작업을 처리하기 위해 사용된다.
  • 직렬(Serial) 큐: 분산처리 시킨 작업을 다른 하나의 스레드에서 처리되도록 하는 큐
  • 동시(Concurrent) 큐: 분산처리 시킨 작업을 다른 여러개의 스레드에서 처리되도록 하는 큐
  • 동기(Sync): 작업을 다른 스레드에서 하도록 시킨 후에 끝날 때까지 기다렸다가 다음 작업을 수행한다.
  • 비동기(Async): 작업을 다른 스레드에서 하도록 시킨 후에 끝날 때까지 기다리지 않고 다음 작업을 수행한다.

GCD 사용시 고려할 점

• Main Queue는 Main Thread 에서 사용되므로 UI 같이 즉시 처리해야하는 작업만 처리하도록 한다.
• Main Queue 사용시 동기(Sync) 작업을 수행하지 않도록 한다. Main Queue는 직렬 큐이기 때문에 Sync 작업을 수행하도록 할 경우, 하나의 스레드인 Main Thread 안에서 Async 작업과 Sync 작업이 서로의 작업을 무한히 기다리는 교착상태(데드락) 가 발생하게 된다.
• Global Queue 는 Background Thread 에서 사용되므로 시간이 걸리는 작업을 처리할때 사용한다. 작업의 유형에 따라 Qos 를 사용하여 아래처럼 작업의 우선순위를 명시해서 처리하도록한다.
  • case userInteractive: (즉각실행) 중요하고 즉각적인 반응이 요구되는 작업일 경우 사용하며 Main Thread 에서 실행된다.
  • case userInitiated: (거의 즉각 실행) 저장된 파일을 여는 등의 빠른 반응을 기대할때 사용한다.
  • case default: (기본 실행) userInteractive와 userInitiated 의 중간 단계로 기본값으로 사용된다.
  • case utility: ` 즉각적인 반응이 필요하지 않을 때 사용된다. 네트워크, 다운로드, 계산 등을 처리할때 사용한다.
  • case background: 즉각적이지 않은 중요하지 않은 작업을 처리할때 사용한다.
  • case unspecified: Qos 정보가 없음을 나타내며, 시스템에게 Qos 를 추론하도록 한다.

📝 참고 사이트

• iOS) GCD (Grand Central Dispatch)
• iOS) 프로세스(Process) vs 쓰레드(Thread)

[Hminchae]

프로세스(Process)

• 운영체제로부터 자원을 할당받은 작업의 단위
• 메모리에 적재되고 CPU 자원을 할당받아 프로그램이 실행되고 있는 상태
• 쉽게 말해 프로그램이란는 코드 덩어리를 실행한 것
• 프로세스끼리 다른 프로세스의 메모리에 직접 접근할 수 없음

  스레드(Tread)

• 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행 흐름의 단위
• 하나의 프로세스 안에서의 여러가지 작업들의 흐름을 스레드라고 함
• 같은 프로세스 안에 있는 스레드끼리는 자원을 공유할 수 있음(각각의 스레드는 별도의 Stack을 가지고 있으면서 Code, Data, Heap은 다른 스레드들과 공유함)

*stack은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아가는 주소값, 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하는 메모리 공간임. 독립적인 스택을 가졌다는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다라는 것이다.

멀티 프로세스(Multi Process)와 멀티 스레드(Multi Thread)

멀티 프로세스

• 운영체제에서 하나의 응용 프로그램에 대해 동시로 여러개의 프로세스를 실행할 수 있게 하는 기술
• 하나의 부모 프로세스가 여러 개의 자식 프로세스를 생성함으로서 다중 프로세스를 구성하는 구조
• 장점
  • 안전성 : 프로세스가 비정상 종료되어도 다른 프로세스에 영향을 주지 않음
  • 병렬성 : 여러 작업을 CPU에 분산, 빠르게 처리할 수 있음
  • 시스템 확장성 : 새로운 기능이나 모듈을 추가하, 수정 시 다른 프로세스에 영향을 주지 않음
• 단점
  • Context Switching Overhead : 프로세스를 바꿀 때 CPU가 다음 프로세스의 정보를 불러오기 위해 메모리를 검색하고, CPU 캐시 메모리를 초기화하며, 프로세스 상태를 저장, 불러올 데이터를 준비해야하기 때문에 이 작업 중 비용 오버헤드가 발생하고 성능 저하가 올 수 있음

    멀티 스레드

• 멀티 스레드는 하나의 프로세스에서 여러개의 스레드가 있는 것 -> 하나의 프로그램에서 두가지 이상의 동작을 동시 처리하도록 할 수 있음
• 장점
  • 프로세스보다 가벼움 : 스레드를 생성하고 제거할 때, 프로세스 내부의 자원만을 관리하면 되기 때문에 프로세스 생성 및 제거보다 훨씬 빠름
  • Context Switching 비용 감소 : 스레드 간에 공유하는 자원을 제외한 스레드 정보(stack, register) 만을 교체하면 됨
• 단점
  • 안정성 : 멀티 프로세스 모델에서는 각 프로세스가 독립적임. 그러나 멀티 스레드 모델에서 하나의 스레드에서 문제가 생기면 다른 스레드들도 영향을 받아 전체 프로그램이 종료될 수 있음

iOS 에서의 멀티스레딩 프로그래밍시 고려해야할 점들

1. Mutable, Immutable

   • Immutable한 인스턴스는 스레드에 안전(Thread-safe)함. 스레드에서 한번에 접근해도 문제가 되지 않음
   • Mutable한 인스턴스는 스레드에 안전(Thread-safe)하지 않지만 읽기 전용으로만 사용한다면 문제가 되진 않음
   • Mutable한 인스턴스를 하나 이상의 스레드에서 변경이 이루어진다면 문제가 발생

2. Synchronized

   • 메소드를 실행할 때 동시에 접근할 수 없도록 막고 싶을 때 해당 부분을 Lock을 걸 수 있음
   • Lock을 걸어줌으로써 한 스레드에서 해당 부분이 끝낼 때 까지 다른 스레드에서 접근할 수 없게됨

3. GCD

   • Swift에서 스레드 관련 작업은 Grand Central Dispatch(GCD) API를 통해 처리함.
   • GCD는 클로저 블록 안에 있는 특정 작업을 큐에 올리고, 해당 큐를 특정 스레드에 실행하는 방식임

4. Class, Struct

   • 클래스는 레퍼런스 타입, 구조체는 값 타입. 즉, 구조체가 파라미터로 전달될 때 스레드에 안전(Thread-safe)함
   • 멀티 스레드를 사용하여 개발을 할 때에는 스레드에 안전하지 않은(Thread-unsafe) 변수를 사용하고 있다면 변경 중에 동시에 접근하는 경우가 있는지 잘 체크해야함

참조

• 프로세스, 스레드, 멀티태스킹, 멀티스레딩, 멀티프로세싱, 멀티프로그래밍
• 완전히 정복하는 프로세스 vs 스레드 개념
• 멀티 프로세스 vs 멀티 스레드 비교 💯 완전 총정리
• [iOS] 동시성 프로그래밍
• [iOS] iOS 에서의 멀티스레딩