운영체제 정리 🦖 ch04. 다중 스레드 프로그래밍

스레드

개념

스레드는 CPU 이용의 기본 단위이며 프로세스를 이루는 단위이기도 합니다. 각각의 스레드는 스레드 ID 프로그램 카운터 레지스터 집합 스택으로 구성되며, 메모리 측면에서 보면 스레드 개인 메모리 + 프로세스 공유 메모리에 접근할 수 있습니다.

 

왜 필요한가?

현대 운영체에 스레드가 도입된 이유는 종래에는 프로세스가 하나의 동작밖에 하지 못했다는 것 입니다.

 

첫 번째 예시로 웹서버를 생각해보겠습니다. 현대는 각 클라이언트마다 하나의 스레드를 만들어 대응하고 있지만, 예전에는 각 클라이언트마다 하나의 프로세스를 만들어 대응해야 했기 때문에, 엄청난 병목을 감수할 수 밖에 없습니다. 프로세스를 생성하는 작업은 매우 무겁거든요.

 

두 번째 에시로 맞춤법을 교정해주는 워드프로세서를 생각해보겠습니다. 이 프로세스는 적어도 2개의 작업이 병렬적으로 돌아가야 합니다.

• 사용자에게 키보드 입력을 받는 작업
• 지금까지 입력된 텍스트의 맞춤법을 검사하는 작업

 

스레드가 없다면 각각의 기능을 프로세스로 떼어내야 하고, 필연적으로 유저가 입력했던 텍스트와 맞춤법 검사 결과도 공유해야 합니다. 프로세스간에 메세지를 교환하려면 IPC를 사용해야 하므로 오버헤드가 매우 커집니다.

 

만약 이것을 스레드로 구현했다면 각각의 기능을 프로세스 대신 스레드로 만들기 때문에 생성비용이 절약되고, 스레드는 자신의 속한 프로세스의 공유 메모리에 접근할 수 있으므로 IPC를 사용하지 않아도 됩니다.

 

장점

위의 시나리오에서 설명했던 것을 정리하면 스레드를 이용했을 때 다음 장점이 있습니다.

 

응답성

프로세스가 멈추는 상황이 줄어듭니다. 스레드가 없다면 다른 프로세스와의 통신 또는 입출력 대기로 프로세스 전체가 멈추는 상황이 발생하지만, 스레드가 있다면 일부 스레드만 멈추기 때문에 프로세스 전체가 멈추는 경우가 줄어듭니다. 이것은 프로세스의 응답속도 향상으로 이어집니다.

 

자원 공유

프로세스간의 통신은 IPC밖에 방법이 없으며, 이것은 매우 비싼 연산입니다. 스레드는 동일 프로세스의 공유 메모리에 접근할 수 있으므로 자원을 공유하는 오버헤드를 줄일 수 있습니다.

 

경제성

프로세스를 만드는 비용보다 스레드를 만드는 비용이 훨씬 가볍습니다. 책의 예시를 빌리자면 생성시간은 5배 빠르고 문맥교환은 30배 빠르다고 설명하고 있습니다.

 

규모 가변성

나눠진 스레드는 서로다른 처리기에서 동시에 실행될 수 있습니다. 종래에는 하나의 프로세스는 하나의 처리기에서만 실행되었으나 이제는 하나의 프로세스를 이루는 여러개의 스레드가 서로다른 처리기에서 실행될 수 있습니다. 쉽게 말하자면 병렬성이 증가했다는 것입니다.

 

다중 스레드 모델

스레드의 종류

스레드는 시스템 콜의 권한을 가졌는가?에 따라 명칭이 나뉩니다.

 

• 커널 스레드 : 시스템 콜의 권한이 있는 스레드입니다.
• 일반 스레드 : 시스템 콜의 권한이 없는 스레드입니다.

 

이렇게 나눈 이유는 보안성을 위해서입니다. 권한이 없는 스레드가 시스템 콜을 이용할 수 없도록 막는것이죠. 일반 스레드가 시스템 콜을 사용하려면 자신을 담당하는 커널 스레드에 요청하도록 우회하는 방식을 사용합니다. 요청을 받은 커널 스레드는 해당 요청이 올바른지 검사하고 동작을 수행합니다.

 

위의 말을 곰씹어보면 커널 스레드는 일반 스레드를 담당하고 있다는 것을 알 수 있습니다. 커널 스레드와 일반 스레드의 기수성에 따라 3가지 모델로 나눠집니다.

 

1:1 모델

하나의 커널 스레드가 하나의 일반 스레드를 담당하고 있는 형태입니다. 일반 스레드 입장에서 자신만의 전용 커널 스레드가 있는 상황이므로 자신이 요청한 시스템 콜이 커널 스레드에게 즉시 전달되고 처리됩니다.

 

각각의 일반 스레드는 자신이 요청한 시스템 콜이 즉각 처리되므로 병렬성이 증가하지만 응용 스레드가 생성될 때 마다 커널 스레드도 생성되야 하기 때문에 커널 스레드가 빈번하게 생성되는데 병목이 걸릴 수 있지만 스레드 풀을 도입하여 어느정도 완화할 수 있습니다.

 

현대의 운영체제가 선호하는 모델입니다.

 

1:M 모델

하나의 커널 스레드가 여러개의 일반 스레드를 담당하고 있는 형태입니다. 학교를 생각하면 쉬운데 한 명의 선생님이 여러명의 학생을 맡고있다는 것입니다. 위에서 언급했던 커널 스레드를 생성하는 병목은 줄어들지만, 하나의 응용 스레드가 시스템 콜을 날리면 해당 요청이 처리될때 까지 다른 스레드의 시스템 콜이 전부 봉쇄되는는 단점을 안고 있습니다. 이것은 병렬성의 저하로 이어집니다.

 

M:M 모델

여러개의 커널 스레드가 여러개의 일반 스레드를 담당하고 있는 형태입니다. 일반 스레드가 시스템 콜을 요청하면 가용할 수 있는 커널 스레드를 찾아 전달합니다. 위의 두 모델의 장단점을 균형있게 섞었다고 볼 수 있습니다.

 

두 수준 모델

일부 운영체제는 위에 언급된 모델을 2개 이상 동시에 사용합니다.

 

스레드 풀

커널 스레드를 생성하는 작업은 비싸므로 생성했던 스레드를 파괴하지 말고 저축하는 것이 좋습니다. 이렇게 커널 스레드를 재사용하기 위해 저축하는 곳을 스레드 풀이라고 부릅니다.

 

스레드 연산

복제

이전 챕터에서 프로세스를 복제하기 위해 fork를 사용했습니다. 하지만 스레드가 도입되었다면 fork()의 의미가 애매해질 수 있습니다. 어떤 프로세스의 한 스레드가 fork()를 호출했다면 운영체제는 해당 프로세스의 어디까지 복제해야 할까요?

• 해당 프로세스의 모든 스레드를 복제하여 새로운 프로세스를 만든다.
• 해당 스레드만 복제한 새로운 프로세스를 만든다.

 

위의 논쟁으로 인해 현대 운영체제는 두 가지 버전의 fork()를 지원합니다.

 

취소

여기서 말하는 취소란 스레드가 정상적으로 종료되기 전에 강제로 종료하는 것을 일컫습니다. 이 때, 취소의 대상이 되는 스레드를 목적 스레드라고 합니다.

 

목적 스레드를 종료하는 시점에 따라 2가지로 방식이 나뉩니다.

 

비동기 취소

즉시 목적 스레드를 종료시킵니다. 이 방식은 문제를 일으킬 수 있는데 공유 자원을 수정하던 도중에 취소되면 전체 프로세스 로직의 일관성이 깨질 수 있기 때문입니다.

 

지연 취소

목적 스레드에 체크표시를 해둡니다. 각각의 스레드는 자신이 체크되어있는지 주기적으로 검사하고 있기 때문에 체크표시를 인식하면 스스로 종료합니다. 공유 자원을 수정하던 도중에 취소표시가 적히더라도 실제 취소는 검사시점에서 이루어지기 때문에 좀 더 안전하게 취소할 수 있습니다. 해당 검사시점을 취소점(cancellation point)라고 부르며 프로그래머가 임의로 설정할 수 있습니다.

 

//
// 공유자원을 조작하는 함수.
// 해당 함수를 실행하는 도중에는 취소되면 안됨.
atomic_transcation();

//
// 자신이 취소되어야 하는가?
if( isCancelled ) {
    exit(0);
}

 

시그널

특정 이벤트가 발생했다는 표시를 시그널이라고 부르며 프로그램 종료 또는 Ctrl-C와 같은 이유로 인해 발생할 수 있습니다.

 

신호 처리기

시그널이 발생되면 프로세스가 가지고 있는 신호 처리기에 전달되어 처리됩니다. 만약 프로그래머가 신호 처리기를 부착하지 않았다면 운영체제가 기본값으로 설정한 디폴트 신호 처리기를 사용합니다. 프로그래머가 부착한 신호 처리기는 사용자 정의 처리기라고 부릅니다.

 

동기, 비동기 신호

발생한 즉시 알려지는 신호를 동기 신호라고 하고, 발생했지만 인식할 때 까지 약간의 딜레이가 있는 신호를 비동기 신호라고 부릅니다. 대부분 비동기 신호로 처리되지만 0으로 나누기 불법적인 메모리 접근 등 매우 민감한 이벤트는 동기 신호로 처리됩니다.

 

동기 신호는 중대한 사건이 많으므로 프로세스의 모든 스레드에 즉각적인 영향을 끼칩니다. 비동기 신호는 위에서 설명했던 신호 처리기에 먼저 들어가며 다른 프로세스와 통신하라고 알리는 용도로 자주 사용됩니다. ex) 배치작업이 다 끝났습니다. 다른 프로세스에게도 알려주세요.

 

멀티 스레드 환경

신호 처리기 프로세스가 가지고 있다는 것에 유의해야 합니다. 싱글 스레드 환경에서는 스레드가 하나밖에 없으므로 해당 스레드에 신호를 전달하면 그만이지만, 멀티 스레드 환경에서는 시그널을 넘길 스레드를 선택해야 합니다. 일반적으로는 다음과 같은 선택이 있습니다.

 

• 모든 스레드에 시그널을 전달한다.
• 특정 1개 스레드에 시그널을 전달한다.
• 특정 N개 스레드에 시그널을 전달한다.
• 특정 조건으로 각각의 스레드에 시그널 전달 여부를 결정한다.

 

이러한 요구로 인해 유닉스는 각 스레드마다 신호의 전달여부를 결정하는 기능을 제공하고 있습니다.