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운영체제 - 스레드

스레드

스레드

스레드

1. 스레드의 정의

CPU 스케줄러가 CPU에 전달하는 일 하나
명령어의 한 줄기 혹은 프로그램 제어 흐름
프로세스에 있는 스레드들은 병행으로 실행되며 공통의 목표를 이루려고 협력
CPU가 처리하는 작업의 단위는 프로세스로부터 전달받은 스레드
- 운영체제 입장에서 작업 단위는 프로세스 (하나의 요리)
- CPU 입장에서의 작업 단위는 스레드 (요리를 위한 작업들)
프로세스의 코드에 정의된 절차에 따라 CPU에 작업 요청을 하는 실행 단위

2. 프로세스와 스레드의 차이

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프로세스끼리는 약하게 연결되어 있지만, 스레드끼리는 강하게 연결되어 있음
보다시피 요리끼리는 연결고리가 약하지만 요리를 만들기 위한 작업들의 경우 공통의 목표를 이루기 위해 병행으로 실행되며 협력하는 모습

3. 멀티태스크와 멀티스레드

멀티태스크

여러 개의 프로세스가 병렬적으로 실행
운영체제가 CPU에 작업을 줄 때 시간을 잘게 나누어 배분하는 기법

멀티스레드

하나의 프로세스에 여러 개의 스레드로 구성된 것
프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 분할함으로서 작업의 부담을 줄이는 프로세스 운영 기법
소프트웨어적 기법: 운영체제가 프로세스를 작은 단위의 스레드로 분할하여 운영하는 것

멀티프로세싱

여러개의 CPU를 사용해 여러 개의 스레드를 동시에 처리하는 작업 환경

CPU 멀티스레드

한 번에 하나씩 처리해야 하는 스레드를 파이프라인 기법을 이용해 동시에 여러 스레드를 처리하도록 만든 병렬 처리 기법
하드웨어적 기법: 하나의 CPU에서 여러 스레드를 병렬적으로 동시에 처리하도록 설계

2. 멀티스레드의 구조와 예

멀티태스킹의 낭비 요소

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fork() 시스셈 호출로 프로세스를 복사하면
- 코드 영역과 데이터 영역의 일부가 중복되어 존재
  - 필요 없는 정적 영역이 여러개가 됨
- 부모-자식 관계이지만 서로 독립적인 프로세스임
- 따라서 이러한 낭비 요소들을 제거할 수 없음
멀티스레드는 코드, 파일 등의 자원을 공유함으로서 자원의 낭비를 막고 효율성을 향상시킴

자바 스레드 코드의 예

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fork() 시스템 호출로 작성한 코드 예

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정적 영역이 2배가 되어 자원 낭비가 심하다

멀티스레드의 장점

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응답성 향상
- 단일 스레드일때보다 스레드 당 작업을 할당하여 응답성이 향상될 수 있음
자원 공유
효율성 향상
다중 CPU 지원

멀티스레드의 단점

모든 스레드가 자원을 공유
- 한 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스에 영향을 미침

3. 멀티스레드 모델

커널 스레드

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커널이 직접 생성하고 관리
하나의 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결 (. to 1 모델)
독립적으로 스케줄링
- 특정 스레드가 대기 상태에 들어가도 다른 스레드는 작업 계속 가능
커널 레벨에서 모든 작업을 지원
- 멀티 CPU 사용 가능
커널의 기능을 사용하므로 보안에 강하고 안정적
문맥 교환 시 오버헤드 발생
- 느리게 작동할 수 있음

사용자 스레드

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라이브러리에 의해 구현된 스레드
사용자 프로세스 내에 여러 개의 스레드가 커널의 스레드 하나와 연결 (. to N 모델)
라이브러리가 직접 스케줄링을 하고 작업에 필요한 정보를 처리
- 문맥 교환이 필요없다 (. 스케줄링은 오버헤드가 심함)
커널 입장에서는 여러개의 스레드가 있는지 알 수 없어 하나로 보임
- 커널 스레드가 입출력 작업을 위해 대기 상태에 들어가면 모든 사용자 스레드가 같이 대기하게 됨
한 프로세스의 타임 슬라이스를 여러 스레드가 공유
- 여러 개의 CPU를 동시에 사용할 수 없음
예) 자바 스레드

멀티레벨 스레드

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사용자 레벨 스레드와 커널 레벨 스레드를 혼합 (. to N 모델)
커널 스레드가 대기 상태에 들어가면 다른 커널 스레드가 대신 작업
- 사용자 레벨 스레드보다 유연하게 작업 처리 가능
커널 레벨 스레드를 같이 사용
- 여전히 문맥 교환 오버헤드 발생
빠르게 움직여야 하는 스레드는 사용자 레벨 스레드로
안정적으로 움직여야 하는 스레드는 커널 레벨 스레드로 작동