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)

              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)

              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.

                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

      • 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.

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