운영체제 교안 Chap 05 스레드

[Overview - 1]

📌 스레드란?  > 실행되는 흐름

: CPU 이용의 기본 단위

- 제어 흐름 표현

- 스레드 ID, 프로그램 카운터 (PC), 레지스터 집합, 스택으로 구성

- 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유

-  Single threaded program: 1 process에 1 thread (하나의 프로세스에 실행흐름은 하나, main thread 1개)

싱글 스레드 -> 멀티 스레드

[싱글 스레드 > 멀티스래드]

• 스택 공유 안함 : 실행 시 로컬 변수가 따로따로 만들어 주어야함
• 함수 단위로 스레드 만듦. > 3함수 3스레드(실행흐름 3개)
• 스레드 간 서로 공유하는 것 : 코드, 데이터, 파일, 전역변수 기본적으로 공유. 

* 프로세스는 대략적으로 위에서 아래로 [함수 > 데이터 > 스택메모리] 로 구성됨.

📌 멀티 스레드  (multihread)

- Multiprogramming은 Multithread가 아님

[멀티 스레드  장점]

* 응답성
- 대화형 응용을 다중 스레드화하면 응용 프로그램의 일부분이 봉쇄되거나, 응용 프로그램이 긴 작업을 하더라도 프로그램이 계속되는 것을 허용 => 사용자에게 응답성 증가 ex. 단일 스레드 -> 연산이 완료될 때까지 응답 x

* 자원 공유

- 자동으로 프로세스의 자원들과 메모리를 공유한다. 프로세스는 자동 X

-  코드와 데이터 공유의 이점은 한 응용이 프로그램이 같은 주소 공간 내에 여러 개의 다른 작업을 하는 스레드를 가질 수 있다.

 

* 경제성 
- 자원 공유때문에 스레드를 생성하고 문맥 교환하는 것이 더욱더 경제적

- 스레드 생성은 프로세스 생성보다 시간과 메모리 덜 소비
- 문맥 교환은 프레세스 사이보다 스레드 사이에서 더 빠르다.

 

* 규모 적응성 (Utilization of MP Architecture)
- 다중 처리기 구조에서 실행하여 각각의 스레드가 다른 처리기에서 병렬로 수행될 수 있다.

 

📌 멀티 스레드 방식

💡1 요청 당 1 스레드

ex. 1000명의 사용자 ? > 1000개 스레드됨 > 스택도 1000개 만들어짐(2k정도)

> 1000개 중 5개가 죽으면 다른 스레드에 영향이 있는 가? > 없다! 955개는 그대로 정상적으로 실행됨.

 

* 오류 나도 다른건 괜찮음 > 안정성이 높다!

 

멀티 스레드 vs 멀티 프로세스

: 프로세스는 운영체제로부터 자원을 할당받는 작업의 단위이고 스레드는 프로세스가 할당받은 자원을 이용하는 실행의 단위이다.

- 멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 Context Switching이 빠른 장점이 있지만, 동기화 문제와 하나의 스레드 장애로 전체 스레드가 종료 될 위험을 갖고 있다.

- 멀티 프로세스는 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에 영향을 주지 않아 안정성이 높지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리공간과 CPU 시간을 차지하는 단점이 있다.

- 두 방법은 동시에 여러 작업을 수행하는 점에서 동일하지만, 각각의 장단이 있으므로 적용하는 시스템에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.

 

📌 사용자 스레드

: 사용자 스레드는 커널 영역의 상위에서 지원되며 일반적으로 사용자 레벨의 라이브러리를 통해 구현되며, 라이브러리는 스레드의 생성 및 스케줄링 등에 관한 관리 기능을 제공한다. 동일한 메모리 영역에서 스레드가 생성 및 관리되므로 속도가 빠른 장점이 있는 반면, 여러 개의 사용자 스레드 중 하나의 스레드가 시스템 호출 등으로 중단되면 나머지 모든 스레드 역시 중단되는 단점이 있다. 이는 커널이 프로세스 내부의 스레드를 인식하지 못하며 해당 프로세스를 대기 상태로 전환시키기 때문이다.

 

대표적 예시 : POSIX Pthreads, Mach C-threads, Solaris threads

📌 커널 스레드

: 커널 스레드는 커널(운영체제)이 지원하는 스레드 기능으로 구현되며, 커널이 스레드의 생성 및 스케줄링 등을 관리한다. 스레드가 시스템 호출 등으로 중단되더라도, 커널은 프로세스 내의 다른 스레드를 중단시키지 않고 계속 실행시켜준다. 멀티프로세싱 환경에서 커널은 여러 개의 스레드를 각각 다른 프로세서에 할당할 수 있다. 다만, 사용자 스레드에 비해 생성 및 관리하는 것이 느리다.

 

📌 POSIX란?

: 다른 운영체제들 사이의 호환성을 위해 IEEE에서 만든 표준, Unix에 기반

> 각 회사끼리 호환이 안돼서 유닉스로 서로 호환되도록 표준안으로 만든 것임

 

📌 Many to One

: 병렬성 가장 떨어짐, 효율성 좋음

- 많은 사용자 수준 스레드를 하나의 커널 스레드로 사상

- 커널에 접근 시 ONE 스레드로 접근 가능

- 스레드 관리 : 사용자 공간의 스레드 라이브러리 > 커널 스레드에서 사용 안됨!

📌 One to One

: 병렬성 가장 좋음,커널 낭비 심함 효율성 떨어짐

-  각 사용자 스레드를 각각 하나의 커널 스레드 대응됨 > 사진 참고

-  하나의 스레드가 봉쇄적 시스템 콜을 호출하더라도 다른 스레드가 실행될 수 있기 때문에 더 많은 병렬성 제공

-  다중 처리기에서 다중 스레드가 병렬로 수행되는 것을 허용

단점: 사용자 스레드를 만들려면 해당 커널 스레드를 만들어야되는데 많은 수의 커널 스레드가 시스템 성능에 부담

📌 Many to Many

: 중재, 보완한 것. 성능적인 측면에서 바람직.

- 여러 개의 사용자 수준 스레드를 그보다 작은 수, 혹은 같은 수의 커널 스레드

- 필요한 만큼 많은 사용자 수준 스레드를 생성할 수 있다.

- 상응하는 커널 스레드가 다중 처리기에서 병렬로 수행될 수 있다.

단점:

- 실제로 구현하기가 어렵다.

 

📌 스레드 프로그래밍

: 프로세스가 끝난다  = 메인스레드가 종료된다. child 스레드도 종료됨 > 모든 스레드가 종료된다.

- 즉 프로세스가 끝나면 해당 프로세스내에서 생성된 모든 스레드는 소멸된다.

- 한 프로세스 내에서 생성된 모든 스레드는 전역변수를 공유한다. (지역변수는 제각기 소유함)

- 프로세스 생성에 비해 스레드 생성은 상대적으로 비용(cpu, memory)이 낮다. 

 

📌 리눅스 스레드

* 리눅스에서 스레드 만드는 법 

- 리눅스는 이들을 스레드보다는 태스크라고 부른다.
- 스레드는 clone() 시스템 호출을 통해 생성됩니다.
- clone()를 통해 하위 작업이 상위 작업(프로세스)의 주소 공간을 공유할 수 있습니다.

 

📌 JAVA 스레드

* 자바에서 스레드 만드는 법

: Thread(스레드)를 상속받는 클래스를 만들고 , 그 안에 run() 함수를 구현한다.

- 런 함수는 별도의 스레드로 돌아감. runner.start(); > 스레드 실행

 

📌 스레드 creation - posix (유닉스 변형한 라이브러리(?) > 이식성 좋음)

int pthread_create(pthread_t *t_id, pthread_attr_t *attr,
    void *(start_function)(void *), void *arg); # input 타입이 void 포인터

– Header files

• #include<pthread.h>

– Parameters

• t_id:생성된thread’sID를저장
• attr:생성할thread의특성을설정,특별히설정할것이없다면 NULL
• start_function:생성될thread가처음실행하는함수이름으로, 이 함수가 종료와 동시에 thread도 소멸된다.
• arg:start_function이수행될때전달되는인자 – Returns
• • 성공시0,실패시이외의값

📌 Pthreads

•  POSIX가 스레드 생성과 동기화를 위해 제정한 표준 API
• 스레드의 동장에 관한 명세(Implementation)일 뿐이지 그것 자체를 구현(Specification)한 것은 아니다.
•  이 명세를 가지고 운영체제 설계자들은 그들 나름대로 구현할 수 있다.
• Unix(Linux, macOS)이 Pthreads 명세를 구현하고 있다. ∙예제

📌 스레드 프로그래밍 - POSIX (1)

: 실행 순서 파악하기

 

[출력 결과 순서]

1. 생성된 thread ID ~

(2초 후)

2.  쓰레드 실행중

(1초 후)

3. main() 종류

 

* 2번 다시 실행하려고 대기 중인데 끝나버림 > child 스레드 종료됨

* 리눅스에서 컴파일 하는 법

: > gcc -D_REENTRANT thread1.c -0 thread1 -lpthread

D_REENTRANT: 동시호출 가능 (의미는 모름, 통암기해)

 

📌 스레드 프로그래밍 - POSIX (2)

* pthread_join() : 스레드가 종료할때까지 기다린다.

* phread_create() : 스레드 식별자 & 스레드 속성 + 새로운 스레드가 실행을 시작할 함수의 이름 넣어줌

- pthread_join() 함수를 사용하여 여러 개의 스레드를 기다리는 간단한 방법은 for 반복문으 로 둘러싸는 것이다.