스레드 간의 스위칭

컨텍스트 스위칭이란?

컨텍스트 스위칭은 운영체제가 CPU를 현재 프로세스에서 다른 프로세스로 전환(switch) 할 때, 이전 상태를 저장하고 다음 상태를 복원하는 작업이야.

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왜 스레드는 컨텍스트 스위칭 비용이 낮을까?

스레드는 같은 프로세스 내에서 자원을 공유하기 때문에 스위칭 시 저장하고 복원해야 할 정보가 적어져서 비용이 훨씬 낮아.

프로세스 vs 스레드 자원 비교

자원 종류	프로세스끼리 공유?	스레드끼리 공유?
코드/데이터/힙	❌ X	✅ O
파일 디스크립터	❌ X	✅ O
레지스터/PC/스택	❌ X (각자 가짐)	❌ X (각자 가짐)

→ 즉, 스레드는 "코드/데이터/파일"은 공유하지만 스택과 레지스터만 따로 가지고 있어.

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컨텍스트 스위칭에서 바뀌는 정보량

항목	프로세스 간 스위칭	스레드 간 스위칭
CPU 레지스터 저장/복원	✅	✅
가상 메모리 맵 교체	✅ (필수)	❌ (같은 주소 공간)
TLB (주소 변환 캐시) flush	✅	❌
파일 디스크립터 교체	✅	❌
캐시 무효화 가능성	높음	낮음

→ 그래서 스레드 간 스위칭은 더 빠르고, 부하가 적어!

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프로세스와 스레드의 메모리 구조

스레드는 하나의 프로세스 안에서 실행되기 때문에, 메모리 공간은 공유해.

구분	공유	독립
Code	✅	❌
Data (Heap, 전역 변수)	✅	❌
Stack	❌ (스레드마다 개별 스택 가짐)	✅

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스레드끼리 자원을 공유하기 때문에 스위칭 비용은 낮지만 단점도 있다

자원을 공유한다는 건?

스레드는 같은 프로세스 안의 데이터, 힙 메모리, 파일을 공유해.
즉, 이런 상황이 가능한 거야:

Thread A: 변수 x = 3으로 바꿈
Thread B: 변수 x를 읽음 → (3으로 바뀐 걸 봐버림)

→ 동시에 접근하면 어떤 값이 저장될지 예측 불가!

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경쟁 조건(Race Condition)

두 개 이상의 스레드(또는 프로세스)가 동시에 같은 자원에 접근하고, 그 중 적어도 하나가 값을 변경할 때, 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 현상.

예시:

// 공유 변수
int count = 0;

// 두 스레드가 동시에 이 함수 호출
void increment() {
    count = count + 1;
}

• 이 코드가 두 스레드에서 동시에 실행되면
  • 기대값: count == 2
  • 실제: count == 1 ← 중간에 덮어쓰기 생김

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시뮬레이션 예시 (A와 B 두 스레드)

스레드 A	스레드 B	counter
읽기: 0		0
	읽기: 0	0
더함: 1
	더함: 1
쓰기: 1		1
	쓰기: 1	1 ❌ (실제로는 2여야 함!)

이런 "엉켜서 실행되는" 상태가 바로 경쟁 조건이야.

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특징

항목	설명
재현 어렵다	실행 타이밍에 따라 간헐적으로 발생
디버깅 어렵다	단일 스레드로 돌리면 문제 안 생김
해결책 필요	동기화 기법 (뮤텍스, 세마포어, 락 등)이 필요

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문제 해결 기법 : 동기화(Synchronization)

도구	역할
Mutex (뮤텍스)	한 번에 하나의 스레드만 자원 접근 허용
Semaphore	여러 개 중 일부만 접근 허용
Atomic 연산	경쟁 없이 값을 읽고 쓰는 특별한 연산

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해결 방법: 뮤텍스 예시

pthread_mutex_t lock;

void* worker(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        counter = counter + 1;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
}

이렇게 하면 한 번에 하나의 스레드만 counter를 바꿀 수 있게 돼 → 경쟁 조건 해결!

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