4. 운영체제 스레드

Ch.4 Threads

스레드 개요, 스레드 라이브러리, 암시적 스레딩, 다중 스레드 프로그래밍, 다중 스레드 모델

1. Threads

쓰레드는 프로세스의 작업 흐름을 말한다. 하나의 프로세스가 한 번에 하나의 작업만 수행하는 것은 싱글쓰레드(Single thread)이며, 하나의 프로세스가 동시에 여러 작업을 수행하는 것은 멀티쓰레드(Multi thread)라고 한다. 프로세서와 메모리가 발전하며 가능해진 기술이다. 멀티프로그래밍 시스템이니까 프로세스를 여러개 돌려도 되는데 굳이 쓰레드를 나누는 데는 이유가 있다.

1. 두 프로세스가 하나의 데이터를 공유하려면 메시지 패싱이나 공유 메모리 또는 파이프를 사용해야 하는데, 효율도 떨어지고 개발자가 구현, 관리하기도 번거롭다.
2. 프로세스 사이 컨텍스트 스위치가 계속 일어나면 성능 저하가 발생한다. 쓰레드는 프로세스의 메모리를 공유하기 때문에 전환 속도가 더 빠르다.
3. 병렬성, 자원공유로 인한 효율, 멀티 코어 시스템에서의 효율성이 장점이다.

Multithreaded Server Architecture

서버와 클라이언트 사이에도 멀티쓰레드를 구현한다. 클라이언트가 서버에게 요청을 보내면 서버는 새로운 쓰레드를 하나 생성해 요청을 수행한다. 프로세스를 생성하는 것보다 쓰레드를 생성하는 것이 더 빠르기 때문이다.

2. Multicore Programming

이렇게 멀티코어 또는 멀티프로세서 시스템을 구현할 때는 동시성(Concurrency)와 병렬성(Parallelism)을 알아야 한다. 동시성은 싱글 프로세서 시스템에서 사용되는 방식으로, 프로세서가 여러 개의 쓰레드를 번갈아가며 수행함으로써 동시에 실행되는 것처럼 보이게 하는 방식이다. 병렬성은 멀티코어 시스템에서 사용되는 방식으로, 여러 개의 코어가 각 쓰레드를 동시에 수행하는 방식이다.

User Threads and Kernel Threads

유저 쓰레드는 사용자 수준의 쓰레드 라이브러리가 관리하는 쓰레드다. 쓰레드 라이브러리에는 대표적으로 POSIX Pthreads, Win32 threads, Java threads가 있다. 커널 쓰레드는 커널이 지원하는 쓰레드다. 커널 쓰레드를 사용하면 안정적이지만 유저 모드에서 커널 모드로 계속 바꿔줘야 하기 때문에 성능이 저하된다. 반대로 유저 쓰레드를 사용하면 안정성은 떨어지지만 성능이 저하되지는 않는다.

3. Multithreading Models

유저 쓰레드와 커널 쓰레드의 관계를 설계하는 여러가지 망법이 있다.

Many-to-One Model

하나의 커널 쓰레드에 여러 개의 유저 쓰레드를 연결하는 모델이다. 한 번에 하나의 유저 쓰레드만 커널에 접근할 수 있기 때문에 멀티코어 시스템에서 병렬적인 수행을 할 수가 없다. 요즘에는 잘 사용되지 않는 방식이다.

One-to-One Model

하나의 유저 쓰레드에 하나의 커널 쓰레드가 대응하는 모델이다. 동시성을 높여주고, 멀티프로세서 시스템에서는 동시에 여러 쓰레드를 수행할 수 있도록 해준다. 유저 쓰레드를 늘리면 커널 쓰레드도 똑같이 늘어나는데, 커널 쓰레드를 생성하는 것은 오버헤드가 큰 작업이기 때문에 성능 저하가 발생할 수 있다.

Many-to-Many Model

여러 유저 쓰레드에 더 적거나 같은 수의 커널 쓰레드가 대응하는 모델이다. 운영체제는 충분한 수의 커널 쓰레드를 만들 수 있으며, 커널 쓰레드의 구체적인 개수는 프로그램이나 작동 기기에 따라 다르다. 멀티프로세서 시스템에서는 싱글프로세서 시스템보다 더 많은 커널 쓰레드가 만들어진다.

Two-level Model

Many-to-Many 모델과 비슷한데, 특정 유저 쓰레드를 위한 커널 쓰레드를 따로 제공하는 모델을 말한다. 점유율이 높아야 하는 유저 쓰레드를 더 빠르게 처리해줄 수 있다.

4. 암묵적 스레딩

다중스레드를 많이 사용할 수록, 데이터의 종속,독립성과,  디버깅, 로드밸런싱등이 까다로워 지는데, 이를 완화해줄 수 있는 방식으로, 스레딩의 생성,관리를 라이브러리에게 넘겨주는 방법이다. 

Thread Pools

쓰레드를 요청할 때마다 매번 새로운 쓰레드를 생성하고, 수행하고, 지우고를 반복하면 성능이 저하된다. 그래서 미리 쓰레드 풀에 여러 개의 쓰레드를 만들어두고 요청이 오면 쓰레드 풀에서 쓰레드를 할당해주는 방법을 사용한다.

-> 생성보다 기존 스레드로 서비스하는게 빠르다 / 개수 제한으로 메모리 문제 관리가능

TLS(Thread local storage)

스레드는 프로세스의 데이터, 메모리를 공유하지만 때로는 독립적 공간이 필요하다. 지역 변수와 유사하지만, 고유한 스레드 식별자를 통하여, 모든 함수에서 접근할 수 있다는 점이 틀리다.