Part 02. 프로세스 ne 스레드

프로세스, 스레드(2)

프로세스에서 실행 제어만 분리한 실행 단위

중량 프로세스(HWP)는 스레드를 하나 가진 작업

경량 프로세스(LWP): 프로세서를 사용하는 기본 단위이며, 명령어를 독립적으로 실행할 수 있는 하나의 제어 흐름
작업: 스레드의 그룹 환경, 같은 그룹의 스레드, 코드, 주소 공간, 운영체제의 자원(파일, 신호) 등 공유

작업에 스레드가 없으면 아무일도 할 수 없으므로 반드시 스레드가 있어야 한다.

프로세스는 스레드를 하나 이상 가지며, 각 스레드는 아래 내용을 포함한다.

스레드 실행 시 상태(실행, 준비)
실행 스택
지역 변수, 스레드의 특정 데이터를 저장하기 위한 스레드별 정적 저장소
프로세스의 다른 스레드가 공유하는 프로세스의 메모리와 자원에 대한 접근 등의 스레드 실행 환경 정보(문맥 정보)

스레드의 장점

프로세스에 포함된 스레드들은 공통의 목적 달성을 위해 병렬로 수행한다.

시스템 성능과 효율 향상: 하나의 프로세스가 서로 다른 프로세서에서 프로그램의 다른 부분을 동시에 실행 가능

운영체제는 단일 프로세스에서 단일 스레드 실행과 다중 스레드 실행을 지원한다.

단일 스레드 프로세스: 프로세스 하나에 스레드 하나가 실행되는 전통적인 방식(MS-DOS)
다중 스레드 프로세스: 프로세스 하나에 여러 스레드를 실행하는 것을 지원(Windows NT/XP, Solaris)

다중 스레드의 특징

각 스레드를 별도의 프로세서에서 실행하는 측면 다중 프로세싱(프로세서)와 같은 의미
동일 프로세스 내에 스레드는 메모리와 파일을 공유하므로, 프로세스 하나에 다수의 실행 단위로 구분된 자원을 공유
자원 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 실행 능력을 향상
서버에서 많은 요청을 효과적으로 처리할 수 있는 환경 제공

단일 스레드, 다중 스레드 모델

단일 스레드 프로세스 모델: 프로세스를 하나의 스레드, 스레드가 가진 레지스터와 스택으로 표현한다.
다중 스레드 프로세스 모델: 프로세스를 각각의 스레드와 고유의 레지스터, 스택으로 표현, 프로세스 주소 영역을 모든 스레드가 공유한다.

단일 사용자 다중 처리 시스템 환경

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시스템 호출이 아닌 사용자 라이브러리 수준에서 스레드 개념을 제공, 빠른 속도
프로그램에 비동기적 요소를 구현 가능하다.
실행 중 스레드를 대기 상태로 변경, 다른 스레드로 제어를 이동시키는 상태 변화는 하나의 서버가 많은 요청을 받아들여 처리하는 효과적인 방법이다.

공유 메모리 형태의 다중 프로세서 시스템 환경

프로그램을 공유 메모리에 저장, 스레드를 각 프로세서에 할당, 병렬처리하여 프로세서 성능을 매우 향상시킬 수 있다.

스레드의 단점

사용자 수준 스레드는 커널 자체가 스레드 하나로 구성, 시스템 호출 실행 시 해당 스레드가 포함된 전체 작업이 시스템 호출 결과가 돌아올 때까지 대기

스레드의 특징

준비, 실행, 대기, 종료 상태로 구분. 프로세서를 함께 사용하며 항상 스레드 하나만 실행한다.
한 프로세스에 있는 스레드는 순차적으로 실행, 자신의 정보를 위한 프로그램 카운터, 스택을 가진다.
스레드 생성 시 운영체제는 부모 프로세스와 공유할 자원을 초기화하지 않는다.
프로세서 내 스레드는 해당 프로세스에서 다른 스레드를 생성, 새로 형성된 스레드를 위한 스택과 레지스터를 제공함으로 프로세서의 생성 및 종료 과정 보다 오버헤드가 적다.
하나의 스레드가 대기 상태로 변할 때 전체 프로세스를 대기 상태로 변화시키지 않는다.
서로 독립적이지 않다. (한 작업에 있는 스레드가 모든 주소에 접근 가능)
스레드는 한 명의 사용자가 여러 스레드를 가진 작업 하나를 소유한다.

여러 수준에서 스레드 구현 가능

운영체제에 따라 다르며 일반적으로 사용자 수준, 커널 수준 혹은 혼합한 방식 중 하나를 사용한다.
Windows 2000/XP, Mach, OS/2, Solaris 운영체제는 커널 수준 지원, 시스템 호출 제공
사용자 수준에서 라이브러리 호출을 통한 지원 가능

사용자 수준 스레드

커널 스레드를 지원하지 않는 운영체제에서 사용
사용자 수준 스레드 여러개 커널 스레드(프로세스) 하나로 매핑되는 방식
다중 스레드 프로세스에 대해 프로세서(실행문맥) 하나를 할당하므로 M:1 스레드 매핑이라 칭한다.
사용자 수준(공간)에서 스레드 관리가 효율적으로 이루어지므로 스레드와 관련된 모든 과정을 응용 프로그램이 수행한다.
응용 프로그램은 사용자 수준 스레드 관리를 위한 루틴으로 구성된 스레드 라이브러리(스레드 패키지)를 이용, 다중 스레드로 프로그래밍이 가능하다.
응용 프로그램은 기본적으로 스레드 하나에서 시작, 해당 스레드에서 실행을 시작한다.

장점

높은 이식성: 기본 커널 변경없이 모든 운영체제에 적용 가능
오버헤드 감소: 스레드 관리를 위한 모든 데이터 구조가 프로세스의 사용자 주소 공간에 있어 커널의 도움없이 스레드 교환 가능
스케줄링의 유연성: 스레드 라이브러리에서 스레드 스케줄링을 제어하므로 스케줄링이 응용 프로그램에 맞게 적절히 구성

단점

시스템의 동시성 지원 불가: 한 번에 하나의 스레드만 커널에 접근 가능, 여러 스레드가 시스템 호출을 동시에 사용할 수 없음
시스템 규모 확장 제약: 커널이 프로세서 내부의 다중 스레드를 프로세스 하나로 관리, 다중 처리 환경에서 여러 프로세스를 이용한 분산 처리를 할 수 없음
스레드 간 보호 어려움: 스레드 간 보호에 커널의 보호 기법을 사용할 수 없고, 스레드 라이브러리에서 스레드 간 보호를 제공해야 프로세스 수중에서 보호함

병렬 실행 가능

하나가 시스템 호출 시 다른 스레드가 중단되는 M:1 방식의 문제를 해결할 수 있어 다중 프로세서에서 다중 스레드를 병렬로 실행 가능
시스템 규모 확장이 쉬우며 처리량을 늘릴 수 있다.

이식성

시스템 변경 시 제공된 스레드 API 를 사용하여 프로그램을 수정한다.
제한적인 자원으로 인해 사용자 수준 스레드 생성에 따라 커널 스레드를 무한정 생성할 수 없다.