[OS] 스레드

이 글은 '그림으로 배우는 구조와 원리 운영체제' 개정3판을 참고하여 작성하였습니다. 첨부된 이미지는 책을 기반으로 직접 제작했습니다.

목차

1. 스레드의 개념과 상태 변화

• 개념
• 스레드의 주소 공간
• 단일 스레드와 다중 스레드
• 스레드의 상태 변화
• 스레드의 제어 블록

2. 스레드의 구현

• 사용자 수준 스레드
• 커널 수준 스레드
• 혼합형 스레드

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1. 스레드의 개념과 상태 변화

개념

스레드의 구조

지금까지 살펴본 프로세스는 두 가지 특성인 자원과 제어로 구분할 수 있다. 이 중 제어만 분리한 실행 단위를 스레드(thread)라고 하는데, 프로세스 하나는 스레드 한 개 이상으로 나눌 수 있다.

스레드들은 프로세스의 직접 실행 정보를 제외한 나머지 프로세스 관리 정보를 공유한다.

프로그램 카운터(PC)와 스택 포인터(SP)등을 비롯한 스레드 '실행 환경 정보(문맥 정보), 지역 데이터,스택'을 독립적으로 가지면서 '코드, 전역 데이터, 힙'을 다른 스레드와 공유한다.

• SP(Stack Pointer) : 스택 포인터
• SR(Sequence Register) : 순서열 레지스터
• PC(Program Counter) : 프로그램 카운터

스레드 중에서 프로세스의 속성 중 일부가 들어있는 것을 경량 프로세스(LWP, Light Weight Process)라고 하며, 반대로 스레드 하나에 프로세스 하나인 전통적인 경우를 중량 프로세스(HWP, Heavy Weight Process)라고 한다.

응용 프로그램에는 적어도 프로세스가 하나 있고, 프로세스에는 스레드 한 개 이상 있다.

스레드의 주소 공간

스레드의 주소 공간

같은 프로세스의 스레드들은 그림과 같이 동일한 주소 공간을 공유한다.

프로세스 하나에 포함된 스레드들은 공동의 목적을 달성하려고 병렬로 수행한다. 즉, 프로세스가 하나인 서로 다른 프로세서에서 프로그램의 다른 부분을 동시에 실행할 수 있는데, 스레드를 이용하면 다음 이점이 있다.

• 사용자 응답성 증가
  
  다중 스레드를 적용한 웹 브라우저는 스레드 한 개가 파일을 로딩하는 동안 다른 스레드는 사용자와 상호작용을 할 수 있다.
• 프로세스의 자원과 메모리 공유 가능
  
  스레드들이 프로세스 자원 하나와 메모리를 공유하므로 응용 프로그램 하나가 동일한 주소 공간에서 스레드를 여러 개 실행하여 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
• 경제성이 좋음
  
  프로세스를 생성하는 것보다 스레드를 생성하여 문맥 교환하면 오버헤드가 줄어든다.
• 다중 처리(멀티 프로세싱)로 성능과 효율 향상
  
  각 스레드를 여러 프로세서에서 병렬로 실행하여 성능과 효율성을 높일 수 있다.

단일 스레드와 다중 스레드

스레드가 한 개인 단일 스레드와 스레드가 여러 개인 다중 스레드로 구분한다.

현대 운영체제는 대부분 다중 스레드이다. 다중 스레드는 프로그램 하나를 여러 실행 단위로 쪼개어 실행한다는 측면에서 다충 처리(멀티 프로세싱)와 의미가 비슷하다. 하지만 동일 프로세스의 스레드는 자원을 공유하므로 자원 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 실행 능력을 향상시킬 수 있다. 그리고 각 스레드는 커널이 개입하지 않고도 독립적으로 실행할 수 있어 서버에서 많은 요청을 효과적으로 처리할 수 있다.

스레드 사용 방법

스레드를 사용자 수준에서 적용할 수 있고, 프로그램 비동기적 요소를 구현하는 데 사용할 수도 있다. 실행 중인 스레드를 대기 상태로 바꾸고 제어를 다른 스레드로 옮기는 상태 변화를 이용하여 많은 요청을 효과적으로 처리할 수도 있다. 데이터베이스 시스템에서도 스레드를 활용할 수 있다.

스레드의 상태 변화

스레드의 상태 변화

스레드와 프로세스는 공통점이 상당히 많다. 스레드도 프로세스처럼 준비, 실행, 대기(보류), 종료 상태로 구분한다.

스레드는 프로세서를 함께 사용하고 항상 하나만 실행한다. 한 프로세스에 있는 스레드는 순차적으로 실행하며, 해당 스레드의 정보를 저장하는 레지스터와 스택이 있다.

보통 프로세스를 생성하면 해당 프로세스의 스레드도 함께 생성한다. 단, 스레드 생성에서는 운영체제가 부모 프로세스와 공유할 자원을 초기화할 필요가 없다. 해당 프로세스가 스택과 레지스터를 제공하기 때문이다. 그러므로 프로세스의 생성과 종료보다는 오버헤드가 훨씬 적다.

 

스레드의 제어 블록(Thread Control Block)

스레드 제어 블록

프로세스가 프로세스 제어 블록(PCB)에 정보를 저장하듯이 스레드도 스레드 제어 블록(TCB)에 정보를 저장한다. 그런데 프로세스는 스레드를 한 개 이상 가질 수 있으므로, 결국 프로세스 제어 블록은 스레드 제어 블록의 리스트를 가리킨다.

스레드 제어 블록은 프로세스 제어 블록과 같은 레지스터 값, 프로그램 카운터, 스택 포인터, 스케줄링 상태 외에도 스레드 ID와 해당 스레드를 포함하는 프로세스 포인터 같은 특정 값도 저장한다.

• 실행 상태 : 프로세서 레지스터, 프로그램 카운터, 스택 포인터
• 스케줄링 정보 : 상태(실행, 준비, 대기), 우선순위, 프로세서 시간
• 계정 정보
• 스케줄링 큐용 다양한 포인터
• 프로세스 제어 블록(PCB)을 포함하는 포인터

 

2. 스레드의 구현

• 사용자 수준 스레드 : 다대일(n:1) 매핑
• 커널 수준 스레드 : 일대일(1:1) 매핑
• 혼합형 스레드 : 다대다(n:m) 매핑

사용자 수준 스레드

스레드 라이브러리(Pthread, Win32 스레드, 자바 스레드 API 등)를 이용하여 작동하고, 사용자 영역에 있는 스레드 여러 개가 커널 영역의 스레드 한 개에 다대일(n:1)로 매핑된다. 

• 스레드와 관련된 모든 행위를 사용자 영역에서 하므로 커널이 스레드의 존재를 모른다.
• 스레드 교환에 커널이 개입하지 않아 커널에서 사용자 영역으로 전환할 필요가 없다.
• 커널은 스레드가 아닌 프로세스를 한 단위로 인식하고 프로세서를 할당한다(프로세스 테이블 유지) : 다대일 매핑

장점

사용자 영역에서 스레드를 구현하면 커널에서 스레드를 지원할 필요가 없어 다음 장점이 있다.

• 이식성이 높음 : 커널에 독립적으로 스케줄링을 할 수 있어 모든 운영체제에 적용할 수 있다.
• 오버헤드가 적음 : 스케줄링이나 동기화를 하려고 커널을 호출하지 않으므로 커널 영역으로 전환하는 오버헤드가 줄어든다.
• 유연한 스케줄링이 가능 : 커널이 아닌 스레드 라이브러리에서 스레드 스케줄링을 제어하므로 응용 프로그램에 맞게 스케줄링을 할 수 있다.

단점

• 시스템의 동시성을 지원하지 않음 : 스레드가 아닌 프로세스 단위로 프로세서를 할당하여 다중 처리 환경을 갖춰도 스레드 단위로 다중 처리를 하지 못한다. 동일한 프로세스의 스레드 한 개가 대기 상태가 되면 이 중 어떤 스레드도 실행하지 못한다.
  
  사용자 수준 스레드는 커널 자체가 스레드 한 개로 구성되어 스레드에서 시스템 호출을 실행하면 전체 작업이 이 시스템의 호출 결과를 받을 때까지 기다려야 한다는 단점이 있다.
• 확장에 제약이 따름 : 커널이 한 프로세스에 속한 여러 스레드에 프로세서를 동시에 할당할 수 없어 다중 처리 시스템에서 규모를 확장하기 어렵다.
• 스레드 간 보호 불가능 : 스레드 간 보호에 커널의 보호 방법을 사용할 수 없다. 스레드 라이브러리에서 스레드 간 보호를 제공해야 프로세스 수준에서 보호가 가능하다.

커널 수준 스레드

커널(운영체제)에서 지원하고, 사용자 영역 스레드별로 커널 영역 스레드가 일대일(1:1)로 매핑된다. 윈도우 NT, XP, 2000, 리눅스, 솔라리스 9 이상 버전의 운영체제가 커널 수준 스레드를 구현한다.

커널이 스레드와 관련된 모든 작업을 관리한다(PCB와 TCB 유지). 커널이 개입하므로 사용자 영역에서 커널 영역으로 전환이 필요한다.

장점

• 커널 지원 부족 문제 해결 : 커널이 직접 스케줄링하고 실행하기 때문에 사용자 수준의 스레드 커널 지원이 부족한 문제를 해결 할 수 있음
• 스레드 병행 수행 가능 : 커널이 각 스레드를 개별적으로 관리할 수 있어 동일한 프로세스의 스레드를 병행으로 수행할 수 있다. 
  동일한 프로세스에 있는 스레드 중 한 개가 대기 상태가 되더라도 다른 스레드를 실행할 수 있다.

단점

• 오버헤드가 커짐 : 커널이 전체 프로세스와 스레드 정보를 유지하기 때문에 오버헤드가 커진다.
• 많은 자원이 필요 : 스케줄링과 동기화를 위해 더 많은 자원이 필요하다.

혼합형 스레드

사용자 수준 스레드와 커널 수준 스레드를 혼합한 형태로 사용자 영역에서 스레드를 생성하고, 다수의 사용자 수준 스레드에 다수의 커널 스레드가 다대다(n:m)로 매핑된다.

시스템 호출을 할 때 다른 스레드를 중단하는 다대일 매핑의 사용자 수준 스레드와 스레드 수를 제한하는 일대일 매핑의 커널 수준 스레드 문제를 극복하는 방법이다.
즉, 사용자 수준 스레드는 커널 수준 스레드와 비슷한 경량 프로세스(LWP)에 다대다(n:m)로 매핑되고, 경량 프로세스는 커널 수준 스레드와 일대일(1:1)로 매핑된다.  

혼합형 스레드는 스레드 라이브러리가 최적의 성능을 지원하도록 커널이 경량 프로세스 수를 동적으로 조절하여 사용사 수준 스레드와 커널 수준 스레드가 다대다(n:m)로 매핑된다. 그리고 커널 영역에서 병렬 처리 정도를 이 매핑이 결정할 수 있어 병행 실행의 의미가 없을 때는 다대일(n:1)매핑도 가능하다. 

또한, 스레드 풀링을 이용하여 일대일(1:1) 매핑으로 오버헤드를 줄일 수 있다. 솔라리스 9 이전 버전과 ThreadFiber 패키지가 있는 윈도우 NT, 2000 등 운영체제가 혼합형 스레드를 구현한다.

중량 프로세스와 특징이 동일하면서도 매우 효율적이다.

📌스레드 풀링(thread pooling)

시스템이 관리하는 스레드 풀(pool)을 응용 프로그램에 제공하여 스레드를 효율적으로 사용할 수 있게 하는 방법이다.
즉, 미리 생성한 스레드를 재사용하도록 하여 스레드를 생성하는 시간을 줄여서 시스템의 부담을 덜어 준다. 또 동시에 생성할 수 있는 스레드 수를 제한하여 시스템의 자원 소비를 줄여서 응용 프로그램의 전체 성능을 일정 수중으로 유지한다.