# 10. Thread(스레드) * Thread(스레드) * Light Weight Process 라고도 함 * 프로세스 * 프로세스간에는 각 프로세스의 데이터 접근이 불가 * 프로세스 간 커뮤니케이션 위해서는 IPC 기법 필요 * 스레드 * 하나의 프로세스에 여러 개의 스레드 생성 가능 * 스레드들은 동시 실행 가능 * 프로세스 안에 있으므로, 프로세스의 데이터들을 모두 접근 가능 * IPC 사용할 필요 없음 * 멀티 스레드 * 소프트웨어 병행 작업 처리를 위해 멀티 스레드를 사용 * 각 스레드의 CODE, DATA, HEAP영역을 서로 공유하고, thread Stack영역만 별도로 각 스레드가 가지고 있다. > 멀티 태스킹 / 멀티 프로세싱 / 멀티 스레드\ > 1\. 멀티 태스킹: 단일 CPU에서 여려 프로세스를 실행시켜 동시에 실행되는 것처럼 보임\ > 2\. 멀티 프로세싱: 여러 CPU를 사용하여, 하나 이상의 프로세스를 빠르게 실행하여 속도를 높임\ > 3\. 멀티 스레드: 하나의 프로세스를 여러 개의 스레드를 사용\ > 따라서 최근 CPU는 멀티 코어를 가지므로, 여러 스레드를 만들어서 멀티 코어의 활용도를 높이고 있다. * 스레드 장단점 * 장점 1. 사용자에 대한 응답성 향상 2. 자원 (공유) 효율 * IPC기법과 같이 프로세스 간 자원 공유를 위해 번거로운 작업 필요 X * 프로세스 안에 있으므로, 프로세스 데이터를 모두 접근 가능 3. 작업이 분리되어 코드가 간결 * 이건 작성하기 나름이기는 함. 4. CPU 활용도 높이고 성능을 개선할 수 있다. * 단점 1. 스레드 중 하나의 스레드만 문제가 생기더라도 전체 프로세스가 영향을 받음 2. 스레드 많이 생성 시, Context Switching이 많이 일어나 성능 저하 일어날 수 있다. * 예: 리눅스 OS는 스레드를 프로세스와 같이 다룬다. * 따라서 스레드를 많이 생성할수록 모든 스레드에 대해 스케쥴링하면서 컨택스트 스위칭이 빈번할 수밖에 없다. * Process VS Thread | Process | Thread | | :------------: | :--------------------: | | 프로세스는 독립적 | 스레드는 프로세스의 서브셋(종속되어있음) | | 각각 독립적인 자원을 가짐 | **프로세스의 자원 공유** | | 자신만의 주소 영역 가짐 | 주소 영역 공유 | | 프로세스간 IPC기법 통신 | IPC 기법 필요 없음 | * 스레드 동기화 문제 * 동기화(Synchronization) * 스레드의 실행 순서는 정해진 게 아니라, 스케쥴러에 따라 그때마다 다름 * 그런데 한 프로세스 내부의 스레드들은 같은 데이터를 공유하고 있음 * 그래서 순서가 꼬이면, 비정상 동작을 할 수 있음. * 이 비정상 동작을 스레드 동기화라고 하기 때문에 관리가 필요하다. * 정리: * 동기화: 작업들 사이에 *실행시기* 를 맞추는 것. * 여러 스레드가 동일한 자원(데이터) 접근 시 동기화 이슈 발생 * 동일한 자원을 여러 스레드가 동시 수정 시 각 스레드 결과에 영향(비정상 동작)을 준다. * 해결 방법 * **mutual exclusion(상호 배제)** * 스레드는 프로세스 모든 데이터를 접근할 수 있으므로, * 여러 스레드가 변경하는 공유 변수에 대해 exclusive access필요 * 어느 한 스레드가 공유 변수를 갱신하는 동안 다른 스레드가 동시 접근하지 못하도록 막기 * example02참조 * 한번에 한 스레드만 공유 자원에 접 하도록 만들어주면 해결(lock) ```python lock.acquire() for i in range(100000): g_count +=1 #임계자원 lock.release() ``` * 임계 영역(critical section): 동시 실행하면 안되는 영역 * 임계 자원(critical resource): 동시 수정하면 안되는 자원(g\_count) * Mutex와 세마 포어(Semaphore) * Critical Section(임계 영역) 에 대한 접근을 막기 위해 Locking 매커니즘이 필요 * Mutex(binary semaphore) * 임계 구역에 하나의 스레드만 들어갈 수 있음 * 한 쓰레드, 프로세스에 의해 소유 될 수 있는 Key를 기반으로 한 상호 배제 기법 * Semaphore * 임계구역에 여러 스레드가 들어갈 수 있음 * counter를 두어 동시에 리소스에 접근할 수 있는 허용 가능한 스레드 수 제어 * 현재 공유 자원에 접근할 수 있는 쓰레드, 프로세스의 수를 나타내는 (제한)값을 두어 상호 배제를 달성하는 기법 * 구현(수도 코드) * P: 검사(임계영역에 들어갈 때) = lock.aquire() * S값이 1 이상이면, 임계 영역 진입 후 S값 1차감(S값이 0이면 대기) * V: 증가(임계 영역에서 나올 때) = lock.release() * S값을 1 더하고, 임계 영역을 나옴 * S: 세마포어값( 초기 값만큼 여러 프로세스가 동시 임계 영역 접근 가능) ```cpp P(S): wait(S){ while S<=0; //대기(loop, CPU실행, 성능 ↓) S--; // 다른 프로세스 접근 제한 } V(S): signal(S){ S++; // 다른 프로세스 접근 허용 } ``` * wait()은 S가 0이면 임계 영역에 들어 가기 위해 반복문 수행 * 바쁜 대기, busy waiting.(위 예제) * 운영체제 기술로 보완: 대기 큐(아래 예제) * S가 음수일 경우 바쁜 대기 대신, 대기 큐에 넣는다. * loop를 돌리지 않고, 대기 큐에 넣어둔 후 block. * wakeup()함수를 통해 대기 큐에 있는 프로세스 재 실행. * 이렇게 하면 CPU부하를 줄이면서도 semaphore를 처리 할 수 있다. ```cpp wait(S){ S->count--; if(S->count<0){ add this process to S->queue; block(); } } signal(S){ S->count++; if (s->count>1){ remove a process P from S->queue; wakeup(P) } } ``` * [참고자료](https://worthpreading.tistory.com/90) * 참고: 주요 세마포어 함수(POSIX세마포어) * sem\_open(): 세마포어 생성 * sem\_wait(): 임계 영역 접근 전, 세마포어를 잠그고, 세마포어가 잠겨 있다면 풀릴때까지 대기 * sem\_post(): 공유 자원에 대한 접근이 끝났을 때 세마 포어 잠금을 해제한다. * 교착상태(Deadlock)와 기아상태(Starvation) * 교착상태(deadlock)이란? * 무한 대기 상태: 두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기 만을 기다리기 때문에(waiting), 다음 단계로 진행 못하는 상태 * 여러 프로스세스가 동일 자원 점유를 요청 할 때 발생 > 배치 처리 시스템에서는 일어나지 않는 문제 프로세스 , 스레드 둘 다 이와 같은 상태 일어날 수 있음 * 참고: 아래 4개지 조건 모두 성립하면 교착 상태 발생 가능성 있음 * 상호 배제: 프로세스들이 필요로 하는 자원에 대해 배타적 통제권 요구 * 점유 대기: 프로세스가 할당된 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다림 * 비 선점: 프로세스가 어떤 자원의 사용이 끝날 때 까지 그 자원을 뺏을 수 없음 * 순환 대기: 각 프로세스는 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 가지고 있음 * 위 4가지 조건 중 한 가지가 성립 안 되도록 빼면, 교착 상태를 방지할 수 있음. * 기아 상태(starvation) * 특정 프로세스의 우선순위가 낮아서 원하는 자원을 계속 할당 받지 못하는 상태 * 여러 프로세스가 부족한 자원을 점유하기 위해 경쟁 할 때, 특정 프로세스는 영원히 자원이 할당 안되는 경우를 주로 의미. * 해결 방안 * 우선 순위 변경 * 프로세스 우선순위를 수시로 변경해서, 각 프로세스가 높은 우선순위를 가질 기회 주기 * 오래 기다린 프로세스의 우선순위 높여주기 * 우선순위가 아닌, 요청 순서대로 처리하는 FIFO기반 요청 큐 사용.