[운영체제] 스레드

스레드

스레드 개요

프로세스에서 실행 제어만 분리한 실행 단위

• 경량 프로세스(LWP, Light Weight Process)라고도 부름
  • 중량 프로세스(HWP, Heavy Weight Process)는 스레드를 하나 가진 작업
• 프로세서를 사용하는 기본 단위이며, 명령어를 독립적으로 실행할 수 있는 하나의 제어 흐름
• 작업 : 스레드의 그룹 환경
  • 같은 그룹의 스레드와 코드, 주소 공간, 운영체제의 자원(파일, 신호) 등을 공유

※ 프로세스는 스레드를 하나 이상 가지며, 각 스레드는 아래 내용을 포함

• 스레드 실행 시의 상태(실행, 준비 등)
• 실행 스택
• 지역 변수와 스레드의 특정 데이터를 저장하기 위한 스레드별 정적 저장소
• 프로세스의 다른 스레드가 공유하는 프로세스의 메모리와 자원에 대한 접근 등의 스레드 실행 환경 정보(문맥 정보)

스레드의 장점

프로세스에 포함된 스레드들은 공통의 목적 달성을 위해 병렬로 수행

• 자원을 공유하여 한 프로세스에서 동시 작업 가능
  
  

시스템 성능과 효율 향상

• 하나의 프로세스가 서로 다른 프로세서에서 프로그램의 다른 부분을 동시에 실행 가능
• 응용 프로그램 하나가 비슷한 작업들을 여러 개 수행
  

스레드를 이용하여 다음과 같은 이점을 얻을 수 있음

사용자에 대한 응답성 증가

• 응용 프로그램의 일부분이 봉쇄 또는 긴 작업 수행 시에도 프로그램 실행을 계속 허용하여 사용자에 대한 응답성이 증가

프로세스의 자원과 메모리 공유 가능

• 스레드는 그들이 속한 프로세스의 자원과 메모리를 공유하므로, 응용 프로그램 하나가 같은 주소 공간에서 여러 개의 스레드를 실행, 시스템 성능 향상과 편리함 제공

경제성

• 한 프로세스의 자원을 공유하므로 프로세스를 생성하는 것보다 오버헤드를 줄일 수 있음

다중 프로세서 구조 활용 가능

• 다중 프로세서 구조에서 각 스레드는 다른 프로세서에서 병렬로 실행 될 수 있음

단일 스레드와 다중 스레드

운영체제는 단일 프로세스에서 단일 스레드 실행과 다중 스레드 실행을 지원

단일 스레드 프로세스

• 프로세스 하나에 스레드 하나가 실행되는 전통적인 방식으로 스레드의 개념이 불확실함
• MS-DOS

다중 스레드 프로세스

• 프로세스 하나에 여러 스레드를 실행하는 것을 지원
• 윈도우 NT/XP, 솔라리스 등

다중 스레드의 특징

• 각 스레드를 별도의 프로세서에서 실행하는 측면 다중 프로세싱(프로세서)와 같은 의미
• 동일 프로세스 내의 스레드는 메모리와 파일을 공유하므로, 프로세스 하나에 다수의 실행 단위로 구분된 자원을 공유
• 자원 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 실행 능력 향상
• 각 스레드는 커널 개입 없이 서로 통신이 가능하여 독립적으로 실행
• 서버에서 많은 요청을 효과적으로 처리할 수 있는 환경
• 프로세스를 새로 생성하는 것보다 기존 프로세스에서 스레드를 생성하는 것이 빠르고, 같은 프로세스 내 스레드 간 교환이나 스레드 종료 역시 빠름
• 프로세스의 상대적인 무게를 줄여 효율을 극대화하는 것이 목표
• 프로그램 변경 없이 프로세서의 개수에 따라 스레드를 병렬로 처리 가능
• 같은 그룹의 스레드에 프로세서를 할당 또는 스레드 생성 시 중량 프로세서들 사이의 문맥 교환과 비교하여 더 경제적임

단일 스레드와 다중 스레드 모델

단일 스레드 프로세스 모델

• 프로세스를 하나의 스레드, 스레드가 가진 레지스터와 스택으로 표현

다중 스레드 프로세스 모델

• 프로세스를 각각의 스레드와 고유의 레지스터, 스택으로 표현, 프로세스 주소 영역을 모든 스레드가 공유
• 프로세스의 모든 스레드는 해당 프로세스의 자원과 상태를 공유, 같은 주소 공간에 존재하며 동일한 데이터에 접근

스레드 용법

단일 사용자 다중 처리 시스템 환경

• 시스템 호출이 아닌 사용자 라이브러리 수준에서 스레드 개념을 제공, 빠른 속도
• 프로그램에 비동기적 요소를 구현 가능
• 실행 중인 스레드를 대기 상태로 변경, 다른 스레드로 제어를 이동시키는 상태 변화는 하나의 서버가 많은 요청을 받아들여 처리하는 효과적인 방법

공유 메모리 형태의 다중 프로세서 시스템 환경

• 프로그램을 공유 메모리에 저장, 스레드를 각 프로세서에 할당, 병렬 처리하여 프로세서 성능을 매우 향상시킬 수 있음

스레드의 단점

• 사용자 수준 스레드는 커널 자체가 스레드 하나로 구성, 시스템 호출 실행 시 해당 스레드가 포함된 전체 작업이 시스템 호출 결과가 돌아올 때까지 대기

스레드의 상태 변화

스레드의 특징

• 준비, 실행, 대기, 종료 상태로 구분, 프로세서를 함께 사용하며 항상 스레드 하나만 실행됨
• 한 프로세스에 있는 스레드는 순차적으로 실행, 자신의 정보를 위한 프로그램 카운터와 스택을 가짐
• 스레드 생성 시 운영체제는 부모 프로세서와 공유할 자원을 초기화하지 않음
• 프로세스 내 스레드는 해당 프로세스에서 다른 스레드를 생성, 새로 형성 된 스레드를 위한 스택과 레지스터를 제공함으로 프로세스의 생성 및 종료 과정 보다 오버헤드가 적음
• 하나의 스레드가 대기 상태로 변할 때 전체 프로세스를 대기 상태로 변화시키지 않음
  • 하나의 스레드가 대기 상태일 경우 다른 스레드 실행 가능
• 서로 독립적이지 않다
  • 한 작업에 있는 모든 스레드는 작업의 모든 주소에 접근 가능
• 보호 문제
  • 프로세서는 다수의 사용자에게서 발생, 경쟁적인 자원 요구와 서로 다른 관계 유지
  • 스레드는 한 명의 사용자가 여러 스레드를 가진 작업 하나를 소유

스레드의 상태

대기

• 스레드가 이벤트를 기다릴 때, 즉 입출력 작업 등이 완료될 때까지 대기(보류) 상태
• 자신의 정보(프로그램 카운터, 스택 포인터 등)를 실행 스택에 저장

준비

• 스레드가 프로세서에 의해 실행될 수 있는 상태
• 스레드를 대기시킨 이벤트 발생 시 해당 스레드는 준비 리스트에 삽입됨

실행

• 스레드가 프로세서를 점유하여 실행 중인 활성화 상태

종료

• 스레드가 작업을 종료하면 자원을 해제, 레지스터 문맥과 스택 할당 제거

스레드 구현

사용자 수준 스레드

• 커널 스레드를 지원하지 않는 운영체제에서 사용
• 사용자 수준 스레드 여러 개가 커널 스레드(프로세스) 하나로 매핑되는 방식
• 다중 스레드 프로세스에 대해 프로세서(실행 문맥) 하나를 할당하므로 다대일 스레드 매핑이라 칭함
• 사용자 수준(공간)에서 스레드 관리가 효율적으로 이루어지므로 스레드와 관련된 모든 과정을 응용 프로그램이 수행
• 응용 프로그램은 사용자 수준 스레드 관리를 위한 루틴으로 구성된 스레드 라이브러리(스레드 패키지)를 이용, 다중 스레드로 프로그래밍 가능
• 응용 프로그램은 기본적으로 스레드 하나에서 시작, 해당 스레드에서 실행을 시작함

스레드 라이브러리

• 스레드 생성, 종료, 문맥 교환을 위한 코드, 동기화, 메모리 할당, 스레드 간 메시지 전달, 스레드 실행 스케줄링 등의 정보를 포함
• 생성 유틸리티를 통해 스레드가 생성, 제어는 프로시저 호출을 통해 해당 유틸리티로 이동하여 수행

사용자 수준 스레드의 장점

• 커널 도움 없이 사용자 주소 공간에 구현된 스레드 패키지로 스레드 연산 실행
• 커널은 연산 과정은 모르고 프로세스를 계속 하나의 단위로 스케줄하고 하나의 실행 상태를 할당
• 커널과 상관 없이 다양한 목적의 응용 프로그램이나 언어 인터페이스의 요구에 적용할 수 있는 융통성을 가짐

여러 수준에서 스레드 구현 가능

• 운영체제에 따라 다르며 일반적으로 사용자 수준과 커널 수준, 혹은 혼합한 방식 중 하나를 사용
• 윈도우 2000/XP, Mach, OS/2, 솔라리스 운영체제는 커널 수준 지원, 시스템 호출 제공
• 사용자 수준에서 라이브러리 호출을 통한 지원 가능
  

사용자 수준 스레드 이용 시 시스템의 장점

• 높은 이식성

  • 기본 커널 변경 없이 모든 운영체제에 적용 가능

• 오버헤드 감소

  • 스레드 관리를 위한 모든 데이터 구조가 프로세스의 사용자 주소 공간에 있어 커널의 도움 없이 스레드 교환 가능

• 스케줄링 유연성

  • 스레드 라이브러리에서 스레드 스케줄링을 제어하므로 스케줄링이 응용 프로그램에 맞게 적절히 구성됨

사용자 수준 스레드 이용시 시스템의 단점

• 시스템의 동시성 지원 불가

  • 한 번에 하나의 스레드만 커널에 접근 가능하므로 여러 스레드가 시스템 호출을 동시에 사용할 수 없음

• 시스템 규모 확장 제약

  • 커널이 프로세서 내부의 다중 스레드를 프로세스 하나로 관리, 다중 처리 환경에서 여러 프로세스를 이용한 분산 처리를 할 수 없음

• 스레드 간 보호가 어려움

  • 스레드 간의 보호에 커널의 보호 기법을 사용할 수 없고, 스레드 라이브러리에서 스레드 간 보호를 제공해야 프로세스 수준에서 보호됨

커널 수준 스레드

• 사용자 수준 스레드의 한계를 해결하기 위해 사용자 스레드마다 프로세서(실행 문맥)를 매핑하는 일대일 스레드 매핑을 지원
• 커널에 의해 생성, 삭제되고 커널의 텍스트와 전역 데이터를 공유, 자신만의 커널 스택을 가짐
• 사용자 영역에는 스레드 관리를 위한 코드가 없음
  • 모든 응용 프로그램은 다중 스레드로 지원, 응용 프로그램의 스레드는 하나의 프로세스에서 지원
  • 스레드 관련 모든 작업은 커널(운영체제)이 지원, 프로세스와 스레드에 대한 실행 문맥 정보 유지
• 일대일 모델 구현 운영체제 : 윈도우 NT/XP/2000, 리눅스, 솔라리스 9 이상 버전, OS/2

커널 지원 부족 문제 해결

• 커널에 의한 직접적인 스케줄링과 실행으로 사용자 수준 스레드의 문제를 해결하여 시스템 성능 향상

병렬 실행 가능

• 하나가 시스템 호출 시 다른 스레드가 중단되는 다대일 방식의 문제를 해결할 수 있어 다중 프로세서에서 다중 스레드를 병렬로 실행 가능
• 시스템 규모 확장이 쉬우며 처리량을 늘릴 수 있음

커널 모드 전환 오버헤드

• 커널 스레드 생성으로 인한 오버헤드 증가로 응용 프로그램의 성능 저하를 막기 위해 시스템이 지원 스레드 수를 제한해야 함
• 사용자 수준 스레드보다 스케줄링과 동기화를 위해 자원이 더 필요함
• 시스템이 모든 스레드를 관리하므로 오버헤드 증가

이식성이 떨어짐

• 시스템 변경 시 제공된 스레드 API(Application Program Interface)를 사용하여 프로그램을 수정
• 제한적인 자원으로 인해 사용자 수준 스레드 생성에 따라 커널 스레드를 무한정 생성할 수 없음

혼합형 스레드 지원

• 스레드 생성은 사용자 영역에서, 여러 개의 사용자 수준 스레드에 여러 개의 커널 스레드가 매핑되는 다대다 스레드 모델
• 사용자 수준 스레드 생성 시 커널 수준 스레드를 생성, 성능 감소
• 시스템 호출 시 다른 스레드가 중단되는 문제를 해결하기 위한 방법
• 다대다 모델 구현 운영체제 : 솔라리스(Solaris)

정리

프로세스 개념

• 운영체제의 주 기능은 프로세스의 생성과 종료
• 프로세스는 실행 중인 프로그램으로, 실행되는 프로세스는 독립적 혹은 협조적일 수 있음
• 협조적 프로세스는 논리적 주소 공간을 직접 공유 또는 파일을 통해서만 데이터 공유 가능

프로세스 상태

• 프로세스 상태는 프로세스의 현재 활동에 의해 정의되며, 각 프로세스는 생성, 준비, 실행, 대기, 종료 상태로 구분, 실행하면서 상태 변경

문맥 교환

• 프로세스 전환 시 이전 프로세스 상태 레지스터 내용을 보관, 또 다른 프로세스의 레지스터를 적재하는 문맥교환 과정을 거침

프로세스와 스레드

• 운영체제는 프로세스를 자원의 소유, 스레드를 실행 단위로 개념을 분리
• 하나의 프로세스를 다수의 실행 단위로 구분하여 자원을 공유, 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력 향상

스레드 상태

• 준비, 실행, 대기, 종료 상태로 구분
• 한 프로세스에 있는 스레드는 순차적으로 실행, 자신의 정보를 위한 프로그램 카운터와 스택을 각각 가짐

사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드

• 사용자 수준 스레드 : 스레드 사이에 이전의 커널이 개입하지 않아 빠름
• 커널 수준 스레드 : 같은 프로세스의 스레드를 동시에 스케줄링 가능, 한 프로세스의 스레드가 대기 상태가 되면 커널이 같은 프로세스에서 다른 스레드를 스케줄할 수 있음

혼합형 스레드

• 사용자 수준 스레드 생성 시 커널 수준 스레드를 생성
• 성능 감소, 스레드 수가 제한되는 일대일 방식(커널 수준)과 어떤 스레드가 시스템 호출 시 다른 스레드가 중단되는 다대일 방식 (사용자 수준)의 문제를 해결하기 위한 방법