L4 - Thread Management

Remind

Context Switching은 비용이 크므로 줄이는 것이 좋은데 줄이는 방법 중에 하나가 스레드이다.

Process와 Thread

프로세스는 자원을 할당 받고 자원을 제어하여 작업(목적)을 달성한다. 즉, 프로세스를 실행하기 위해서는 자원과 제어가 필요하다.

1. 자원
2. 제어

두 부분 중 제어 부분만 따로 떼어 놓은 것이 스레드이다.(~과 같은 실모양으로 스레드를 표현한다.)

프로세스 하나(가마할아범)에 스레드(팔)는 여러개가 있을 수 있다(제어가 여러개 있을 수 있다).

Thread

• 스레드는 리소스를 제어한다.
• 자원은 공유되고 스레드는 독립적이다.
  

리소스

• 프로그램 코드(프로그램 카운터PC가 어디 실행하는지 가르키고 있음)
• 작업을 하기 위한 데이터
• 전역적으로 사용하는 데이터들이 heap에 저장

제어

• 다양한 제어 정보 - PC, 상태 정보, SP(Stack Pointer)
• 지역 데이터(ex. for문을 쓰면 안에서 데이터를 만들어서 사용하고 for문 안에서(지역에서만) 유효)
  • 지역데이터를 사용하는 이유는 제어를 위함임, 지역 데이터는 스택 영역에 저장됨

스레드 특징

• Light Weight Process (LWP)
  • 무게가 가벼운 프로세스 -> 프로세스는 자원과 제어를 각각 가지고 있는데 스레드는 자원은 공유하고 제어부분만 갖고 있으므로
• 프로세서(e.g, CPU) 활용의 기본 단위
  • 스레드가 여러 개 있으면 각각의 프로세서를 활용하게 됨 -> 스레드가 여러개면 동시에 여러개의 CPU를 사용할 수 있다.
• 구성 요소
  • Thread ID
  • Register Set(PC, SP 등)
  • Stack (i.e. Local Data)
• 제어 요소 외 코드, 데이터 및 자원들은 프로세스 내 다른 스레드들과 공유
• 전통적 프로세스 = 단일 스레드 프로세스
  • 프로세서에 제어가 하나

메모리 관점

Single-thread vs Multi-threads

스레드의 장점

사용자 응답성(Responsiveness)

• 일부 스레드의 처리가 지연되어도 다른 스레드는 작업을 계속 처리 가능

자원 공유(Resource Sharing)

• 자원을 공유해서 효율성 증가(커널의 개입을 피할 수 있음)
  • ex. 동일 address space에서 스레드 여러개
  • 커널 개입 자체가 굉장히 큰 오버헤드이다.
  • <-> context switch는 자원을 공유하지 않음(p1이 자원을 쓰고 있을때 p2는 대기) + 비용이 많이 발생

경제성(Economy)

• 프로세서의 생성, context switch에 비해 효율적

멀티 프로세서(multi-processor) 활용

• 스레드 여러개 -> 여러개의 cpu core를 동시에 사용할 수 있다.
• 병렬처리를 통해 성능 향상

스레드 사용의 예

스레드가 하나

• I/O 발생 -> run에서 block 상태로 변함
• 예시
  • 화면을 출력하고 있을때 마우스를 돌리는 순간 화면이 멈추고 마우스가 다 돌아가고 나서 화면이 재생
  • 말을 하면 화면도 안나오고 마우스도 안먹음
    -> 하나의 작업을 하는중에 다른 작업을 할 수 없음, 제대로 된 게임 불가
• 스레드를 3개 만들어서 각각 처리(사용자 입력, 화면 출력, 스피커/마우스 입력)하게 함
  • 자원들은 공유하게 되므로 게임을 원활히 할 수 있음 => 사용자 응답성이 올라감
• 같은 의미로 프레젠테이션 재생, 문서작업, 임시 저장이 동시에 가능한 것은 여러개의 스레드가 자원을 공유해서 작업하고 있기 때문임

스레드의 구현

사용자 수준 스레드(User Thread)

• 커널은 제어하기 위한 스레드를 하나 만들고(커널 수준의 스레드) 내부적으로는 라이브러리를 사용해서 여러개의 스레드를 사용하는 것처럼 동작하며 스레드 제어 블록이 생성되어 있음
• 커널 수준 스레드는 하나인데 사용자 수준 스레드는 여러개로 다대일 관계가 형성
  
• 사용자 영역의 스레드 라이브러리로 구현 됨(라이브러리로 스레드처럼 돌아갈 수 있게 만든것)
  • 스레드의 생성, 스케줄링 등
  • POSIX threads, Win32 threads, Java thread API 등
• 커널은 스레드의 존재를 모름
  • 커널의 관리(개입)을 받지 않음
    • 생성 및 관리의 부하가 적음, 유연한 관리 가능
    • 이식성(portability)이 높음 (라이브러리만 있으면 만든 멀티스레드 프로그램을 그대로 사용할 수 있음)
  • 커널은 프로세스 단위로 자원 할당
    • 하나의 스레드가 block 상태가 되면 모든 스레드가 대기(single-threaded kernel의 경우)

커널 수준 스레드(Kernel Threads)

사용자 수준 스레드의 갯수만큼 커널에서도 스레드가 생성됨 -> 1:1 매핑

• OS(Kernel)가 직접 관리
• 커널 영역에서 스레드의 생성, 관리 수행
  • Context Switching 등 부하(Overhead)가 큼
    • CPU를 사용하기 위해서는 스레드 간 context switching이 필요, 프로세스 간 context switching 보다는 적긴 하지만 오버헤드가 발생므로 사용자 수준 스레드보다는 무거움
• 커널이 각 스레드를 개별적으로 관리
  • 프로세스 내 스레드들이 병행 수행 가능
    • 하나의 스레드가 block 상태가 되어도, 다른 스레드는 계속 작업 수행 가능

Multi-Threading Model

n:1 모델(사용자 수준 스레드), 1:1 모델(커널 수준 스레드) 모두 단점이 있다 -> 둘을 섞자 -> n:m 모델(혼합형 스레드)

혼합형(n:m) 스레드

• n개 사용자 수준 스레드, m개의 커널 스레드(n > m)
  • 사용자는 원하는 수만큼 스레드 사용
  • 커널 스레드는 자신에게 할당된 하나의 사용자 스레드가 block 상태가 되어도, 다른 스레드 수행 가능
    • 병행 처리 가능
• 효율적이면서도 유연함
  
• 사용자는 스레드를 자유롭게 사용하고 스레드 라이브러리가 관리
• 커널 수준 스레드에서는 사용자 수준 스레드에게 동적으로 자원을 쓸 수 있도록 관리함
  • 하나의 스레드가 블록이 되어도 다른 스레드가 정상적으로 작동할 수 있음
• OS들이 실제 사용하는 모델은 혼합 스레드형 모델이다.