[운영체제] 스레드(Thread)와 멀티 스레드(MultiThread)란 무엇일까

 

 

 

프로세스와 스레드

 

스레드란 일련의 명령의 집합에 의해 실행되는 프로세스에서의 실행 단위이다.

 

 

즉, 모든 프로세스는 사실상 스레드 내에서 실행이 된다고 이해할 수 있다. 또한 스레드는 경우에 따라서 여러 개가 동시에 만들어져 있는 모습 또한 가질 수 있다. 이를 멀티 스레드라고 한다.

 

 

 

 

리눅스 운영체제는 이러한 스레드를 스레드라고 부르지 않고, 경량 프로세스(lightweight process)라고 부르기도 한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

프로세스와 스레드의 자원

 

프로세스는 _Code_, _Data_, _Stack_, _Register_ 값들로 이루어져 있으며, 스레드는 _Stack_과 PCB 내의 _Register_값들을 가지고 있다. 이를 Thread Conrol Block이라고 한다. 즉, 각각의 스레드는 별도의 _Stack_과 Tread Control Block을 지닌다.

 

 

 

 

 

앞서 살펴본 그림에서 보면 file이라는 것은 프로세스가 공통적으로 가짐을 알 수 있는데, 여기에 입력 값을 저장하는 파일인 stdin, 출력 값을 저장하는 파일인 stdout, 에러 문구를 저장하는 파일인 stderr가 있다.

 

 

하나의 프로세스에 속하는 모든 스레드들은 전역 변수인 _data_영역에 접근할 수 있다. 하지만 각각의 스레드에서 함수를 호출한다면 그 함수에 대해서 스택을 가져야 하는데, 모든 스레드가 이를 공통으로 가지는 것은 말도 안 된다. 하나의 함수를 호출한 상태에서 다른 스레드로 넘어갈 수 없기 때문이다. 그래서 각각의 스레드가 _stack_ 영역을 별도로 지니는 것이다.

 

 

또한 스레드들은 실행 도중에 스레드를 변경하는 Thread  Switch가 일어나는데, 이 때문에 자신의 현재 레지스터 값에 대해서 저장할 필요가 있기 때문에 별도의 레지스터를 가진다. 이때 가지고 있는 레지스터는 PCB가 아니고, 해당 PCB의 레지스터에 해당되는 메모리 공간만 별도로 만들어 저장한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

스레드의 장점

 

 

• 새로운 프로세스를 만드는 것보단, 새로운 스레드를 만드는데 시간이 적게 든다.(자원을 덜 만들어도 되기 때문이다.)
• terminate 하는데 시간이 덜 든다.
• 같은 프로세스 내에서 Thread Switch가 빠르게 이루어진다.
• 스레드 간 통신에 있어서 같은 프로세스 간 통신보다 빠르다. 같은 자원을 빠르게 공유할 수 있기 때문이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

멀티 스레드(Multithreading)

 

OS가 단일 프로세스에서 하나 혹은 그 이상의 스레드를 지원하는 것을 멀티 스레드라고 한다.

 

 

 

위에 보이는 그림처럼, 하나의 프로세스 안의 여러 스레드가 존재하는 것이고, 각 프로세스 안의 스레드끼리는 공유데이터를 가질 수 있다.

 

 

반대로, 프로세스 간의 통신을 위해서는 IPC를 사용해야 한다.

 

 

 

UniProssesor, 즉 CPU가 하나인 상황에서 Block 되는 것을 살펴보자.

 

 

위와 같이 프로세스 안의 스레드에서도 Running 상태는 겹치지 않는다. 이는 CPU는 결국 하나이기 때문이며, 하나의 스레드가 Block 되었을 때 다른 스레드가 동작하는 모습을 볼 수 있다.

 

 

즉, Thread A와 Thread B가 Concurrent 하게 실행되는 것이며 하나의 프로세스의 일을 보다 효율적으로 처리할 수 있다.

 

 

이전에 배웠던 것을 복기해 보자. 멀티프로그래밍과 멀티 프로세싱의 차이는 CPU 개수의 차이이다.


멀티프로그래밍은 CPU가 하나이고, 멀티 프로세싱은 두 개 이상이다. 따라서, 멀티프로그래밍은 프로세스가 Concurrent 하게 동작하고, 멀티 프로세싱은 Parallel 하게 동작한다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Non Concurrent Program

 

 

Concurrent 하지 않은 Program의 예시를 한 번 살펴보자.

 

main( ) {
    int data, transformed_data;
    ...
    input_handling(data); 
    transformed_data = transforming(data); 
    output_handling(transformed_data); ... 
}

input_handling(int a) {   . . . } 
transforming(int a) {   . . . } 
output_handling(int a) {   . . . }

 

만약 _input_handling_함수가 호출되어 I/O Interrupt가 발생했다고 하자. 그러면 I/O 입력을 사용자에게로 받는 시간 동안 그 아래에 있는 다른 함수들은 전혀 일을 하지 못한다. 따라서, Concurrent 하지 못한 동작이며 이를 해결하기 위해서 두 가지 방법을 생각해 볼 수 있다.

 

 

 

1. Multiple Processes

 

 

 

첫 번째 방법은 여러 개의 프로세스를 두는 방법이다. 각 함수를 하나의 프로세스로 두어 처리하면, 하나의 프로세스가 Block 상태가 되더라도 스케쥴링에 의해 다른 프로세스로 CPU할당이 일어날 것이다. 이러한 프로세스 간의 통신은 IPC를 통해 처리한다.

 

 

하지만, 프로세스를 그만큼 더 할당해야 하므로 컴퓨팅 자원이 더 들어간다는 단점이 있다.

 

 

 

 

 

2. Multiple Threads

 

 

 

두 번째 방법은 여러 개의 Thread를 만드는 것이다. 공용 변수를 통해 통신을 하며, 멀티 스레드이기 때문에 하나의 스레드가 Blcok 되더라도 다른 스레드가 일을 할 수 있다.

 

 

이는 이전의 프로세스를 여러 개 쓰는 방식보다 더욱 빠르다.

 

 

 

Shared Memory vs. Global Variable

똑같이 메모리를 참조하는 것이기 때문에 사실 상 크게 속도 차이는 없다. 다만, Shared Memory는 초기에 생성 시에 커널의 개입이 필요하므로 거시서 속도 차이가 난다.

 

 

User-Level Threads

 

User-Level Threads는 모든 스레드 관리가 스레드 라이브러리 등을 사용하여 애플리케이션에 의해 관리되는 것이다. 커널은 이러한 스레드의 존재 여부에 대해서는 알 방법이 없다. 이게 조금 중요한데, 그 이유는 하나의 스레드가 I/O Interrupt가 걸려 프로세스가 동작하지 못한다면, 다른 스레드를 통해서도 해당 프로세스는 동작할 수 없기 때문이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kernel-Level Thread

 

 

Kernel-Level Thread는 Linux와 Window에서 Kernel Level의 Thread를 사용하며, 프로세스와 Thread에 대한 Context 정보를 Kernel에서 가지고 있음을 말한다. 따라서, 이전에 우리가 살펴보았던 Concurrent 하게 동작하는 스레드도 이러한 Kernel Level의 Thread를 사용한다.

 

 

 

 

 

 

 

User-Level Thread 장/단점

 

• 장점
  
  • Kernel Level Thread보다 적은 오버헤드
  • 스레드의 스케줄링 알고리즘이 OS 스케줄링의 영향을 받지 않고 설계할 수 있다.
  • 어느 OS 이던지 상관없이 사용할 수 있다.
• 단점
  • 하나의 Thread가 Block 되면 모든 Thread가 Block 된다.
  • 멀티 스레드 애플리케이션은 멀티 프로세싱의 이점을 얻지 못한다.

 

 

 

실제로 User-Level Thread와 Kernel-Level Thread 간의 실행속도는 꽤 많이 난다.

 

 

 

이렇게 차이가 나는 이유는 뭘까? 결국 Mode Change 때문이다. Kernel Level Thread를 만들기 위해서, 혹은 전환하기 위해서 Kernel Mode로 Mode Change를 해야 한다. 거기서 발생하는 오버헤드가 있으며 Mode Change 뿐만이 아니라 커널에서 부가적인 작업들도 하기 때문에 결과적으로 이런 차이가 발생하는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

Linux에서의 Thread

 

 

1. _Clone()_ System Call 호출
2. 자식 task_struct 할당.
3. 자식 task_struct는 memory info table을 공유하기 때문에 code와 data 공유

 

이렇게 만들어진 경량 프로세스인 스레드는 부모 프로세스처럼 OS에 의해 스케줄링된다.