[운영체제] 4. 스레드와 병행성 (Threads and Concurrency)

도서 기반 내용 정리

운영체제 | Abraham Silberschatz - 교보문고

 

목차

• 개요
• 다중 코어 프로그래밍
• 다중 스레드 모델
• 스레드 라이브러리
• 암묵적 스레딩
• 스레드와 관련된 문제들

 

Threads

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Threads

프로세스의 작업 흐름 이다.

프로세스 : 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위
스레드 : 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위

• CPU 이용의 기본 단위
• 스레드는 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원을 공유한다.
• 프로세스가 다수의 제어 스레드를 가진다면, 프로세스는 동시에 하나 이상의 작업을 수행할 수 있다.

싱글 스레드 (Single-thread)

프로세스가 한 번에 하나의 작업만 수행하는 스레드

멀티 스레드 (Multi-thread)

프로세스가 동시에 여러 작업을 수행하는 스레드

Multi-thread 서버 구조

• 단일 프로세스로 한 번에 하나의 요청만 처리하면, 클라이언트는 자신의 요구가 서비스되기까지 대기를 많이한다.
  따라서 클라이언트로부터 요청이 들어올 때 요청을 수행할 프로세스를 생성한다.
• 그러나 프로세스 생성 작업은 많은 시간과 자원을 필요로한다.
• 굳이 새 프로세스를 생성해 오버헤드를 감수하지 않고 스레드를 이용한다.
• 또한 스레드를 생성하는 것이 더 빠르다.

 

멀티 스레드 장점

• 응답성 (Responsiveness)
  : 대화형(interactive) 응용을 멀티 스레드화 하면, 응용 프로그램 일부분이 봉쇄되거나, 긴 작업을 수행하더라도 프로그램 수행이 계속되는 것을 허용함으로써, 사용자에 대한 응답성을 증가시킨다.
• 자원 공유 (Resource sharing)
  : 두 프로세스가 하나의 데이터를 공유하려면 IPC 기법을 사용해야한다. 때문에 효율 떨어지고, 구현, 관리가 힘들다. 스레드는 자동으로 그들이 속한 프로세스의 자원들과 메모리를 공유한다.
• 경제성 (Economy) : 프로세스 생성을 위해 메모리와 자원을 할당하는 것은 많은 비용이 든다. 스레드는 자신이 속한 프로세스의 자원들을 공유하기 대문에, 스레드를 생성하고 context switch 하는 것이 더욱 경제정이다.
• 확장성 (Scalability) : 스레드들은 멀티 프로세서에서 분산 할당되어 병렬 처리도 가능한다. -> 프로세스의 처리 성능이 빨라진다. but Single thread는 항상 속도 같다.

 

멀티 코어 프로그래밍 (Multicore Programming)

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멀티 스레드 프로그래밍

컴퓨팅 코어를 보다 효율적으로 사용하고, 병행성(동시성)을 향상시키는 기법

동시성(Concurrency)

• 싱글 프로세서가 여러 스레드를 번갈아 수행함으로써,
  빠르게 진행시 여러 스레드가 동시에 실행되는 것 처럼 보이는 방식
• 스레드마다 정해진 시간만큼 돌아가며 CPU 자원을 할당받는다. like 멀티태스킹
• 하나의 시점에서 한 번에 하나의 작업만 처리한다.

병렬성(Parallelism)

• 멀티 코어가 각 스레드를 동시에 수행하는 방식
• 멀티 코어 위에서만 구현 가능
• 각 코어가 독립적으로 연산작업을 시행한다.

병렬 실행의 유형

• 테스크 병렬 실행 (Task Parallelism)
  여러 코어에 테스크(스레드)를 분배해 각 스레드가 고유의 연산을 실행하는 것
• 데이터 병렬 실행 (Data Parallelism)
  동일한 데이터의 부분집합을 여러 코어에 분배한 뒤 각 코어에서 동일한 연산을 실행하는 것

 

멀티 스레드 모델 (Multithreading Models)

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사용자 스레드 (User Threads)

• 사용자 응용 프로그램에서 생성하는 스레드
• 이 스레드는 궁극적으로 CPU에서 실행되도록 커널 스레드에 매핑되어야 한다.

커널 스레드 (Kernel Threads)

• 운영체제가 직접 관리, 처리하는 스레드

 

다대일 모델 (Many-to-One Model)

많은 사용자 스레드를 하나의 커널 스레드가 대응한다.

• 한번에 하나의 스레드만 커널에 접근할 수 있다.
• 다중 스레드가 다중 코어 시스템에서 병렬로 실행될 수 없다.

일대일 모델 (One-to-One Model)

각 사용자 스레드를 각각 하나의 커널 스레드가 대응한다.

• 다중 처리기에서 다중 스레드가 병렬로 수행되는 것을 허용한다.
• 사용자 스레드를 만들려면 해당 커널스레드를 만들어야 한다.
• 많은 수의 커널 스레드가 시스템 성능에 부담을 줄 수 있다.

다대다 모델 (Many-to-Many Model)

여러 개의 사용자 스레드를 그보다 작은 수, 혹은 같은 수의 커널 스레드가 대응한다.

• 필요한 만큼 많은 사용자 스레드를 생성할 수 있고,
  그에 상응하는 커널 스레드가 멀티 프로세서에서 병렬로 수행될 수 있다.

두 수준 모델 (Two-level model)

다대다 모델과 유사하다.
한 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드에만 연관되는 것을 허용하는 모델이다.

• 가장 융통성 있어보이지만, 실제로 구현하기 어렵다.
• 점유율이 높아야하는 유저 스레드를 빠르게 처리할 수 있다.

 

스레드 라이브러리

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스레드를 만들고 관리하기위한 API를 제공한다.

 

암묵적 스레딩 (Implicit Threading)

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수백 수천개의 스레드를 가진 응용을 설계하는 어려움을 극복하고, 병행 및 병렬 응용의 설계를 도와주는 방법으로
스레딩의 생성과 관리 책임을 응용 개발자로부터 컴파일러와 실행시간 라이브러리에게 넘기는 것이다.

 

스레드 풀 (Thread Pools)

스레드 요청때마다 새로운 스레드를 생성, 수행, 삭제를 반복하면 성능이 저하된다.
따라서 미리 스레드 풀에 여러개의 스레드를 만들어두고 요청이 오면 스레드 풀에서 할당해주는 방법

 

스레드와 관련된 문제들 (Threading Issues)

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스레드 취소

스레드가 끝나기 전에 그것을 강제 종료 시키는 작업이다.

• 목적 스레드 : 취소되어야 할 스레드

 

비동기식 취소

한 스레드가 즉시 목적 스레드를 강제 종료 시킨다.

• 다른 스레드와 공유하는 자료구조를 갱신중 취소 요청이 오면 문제가 된다.

 

지연 취소

목적 스레드가 주기적으로 자신이 강제 종료 되어야 할지 점검한다.
이 경우 목적 스레드가 질서정연하게 강제 종료될 수 있다.

• 스레드는 자신이 취소되어도 안전하다고 판단되는 시점에 취소 여부를 검사할 수 있다.