스레드
프로세스의 실행 단위로, 한 프로세스 내에서 동작되는 여러 실행 흐름으로 프로세스 내의 주소 공간이나 자원을 공유할 수 있다. 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터, 레지스터 집합, 그리고 스택으로 구성된다. 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유한다.
스택을 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
스택은 함수 호출 시 전달되는 인자, 되돌아갈 주소값 및 함수 내에서 선언하는 변수 등을 저장하기 위해 사용되는 메모리 공간이다.
스택 메모리 공간이 독립적이라는 것은 독립적인 함수 호출이 가능하다는 것이고 이는 독립적인 실행 흐름이 추가되는 것이다. 따라서 스레드의 정의에 따라 독립적인 실행 흐름을 추가하기 위한 최소 조건으로 독립된 스택을 할당한다.
PC 레지스터를 스레드마다 독립적으로 할당하는 이유
PC 값은 스레드가 명령어의 어디까지 수행했는지 나타낸다. 스레드는 CPU를 할당받았다가 스케줄러에 의해 다시 선점당한다. 그러므로 명령어가 연속적으로 수행되지 못하고 어느 부분까지 수행했는지 기억할 필요가 있으므로 PC 레지스터를 독립적으로 할당한다.
사용자 수준의 스레드 vs. 커널 수준의 스레드
사용자 수준 스레드는 스레드 기능을 제공하는 라이브러리를 이용함므로 커널에 의존하지 않는다. 장점으로는 커널이 스레드를 모르기 때문에 모드 간의 전환이 없고 성능의 이득이 발생한다. 하지만 단점으로는 하나의 스레드가 커널에 블로킹되면 프로세스 전체가 블로킹된다.
커널 수준 스레드는 스레드를 생성하고 스케줄링하는 주체가 커널이다. 장점으로는 커널이 직접 제공해주므로 안정성이 있고 다양한 기능을 제공한다. 하지만 유저 모드에서 커널 모드로의 전환이 빈번하게 발생한다.
멀티 스레드
하나의 프로세스를 다수의 실행단위로 구분하여 자원을 공유하고 자원의 생성과 관리의 중복성을 최소화하여 수행 능력을 향상시키는 것을 멀티스레딩이라고 한다. 이 경우 각각의 스레드는 독립적인 작업을 수행해야 하므로 각자의 스택과 PC레지스터 값을 갖고 있다.
멀티 스레드의 장점
프로세스를 이용해 동시에 처리하던 일을 스레드로 구현할 경우 메모리 공간과 시스템 자원 소모가 줄어들게 된다. 스레드 간의 통신이 필요한 경우에도 별도의 자원을 이용하는 것이 아니라 전역 변수의 공간 또는 동적으로 할당된 공간인 Heap 영역을 이용해 데이터를 주고 받을 수 있다. 그러므로 프로세스 간 통신 방법에 비해 스레드 간의 통신 방법이 훨씬 간단하다. 심지어 스레드의 context switch는 프로세스 context switch와는 달리 캐시 메모리를 비울 필요가 없으므로 더 빠르다.
따라서 시스템의 throughput(처리량)이 향상되고 자원 소모가 줄어들어 프로그램의 응답 시간이 단축된다. 이러한 장점 덕분에 여러 프로세스로 할 수 있는 작업들을 하나의 프로세스에서 스레드로 나눠 수행하는 것이다.
멀티 스레드의 문제점
멀티 프로세스 기반의 프로그래밍을 할 때, 프로세스 간 공유하는 자원이 없어 동일한 자원에 동시에 접근하는 일이 없지만 멀티 스레딩 기반 프로그래밍인 경우 이 부분에서 문제가 생긴다. 서로 다른 스레드가 데이터와 힙 영역을 공유하므로 어떤 스레드가 다른 스레드에서 사용중인 변수나 자료구조에 접근해 엉뚱한 값을 읽어오거나 수정할 수 있다.
멀티스레딩 환경에서는 동기화 작업이 필요하다. 동기화를 통해 작업 처리 순서를 컨트롤 하고 공유 자원에 대한 접근을 컨트롤 하는 것이다. 하지만 이로 인해 병목현상이 발생해 성능이 저하될 가능성이 높아 과도한 락으로 인한 병목현상을 줄여야 한다.
- 동기화 : 병렬적으로 수행하는 작업들에 대해 자원 접근 순서를 정해 서로가 알고 있는 정보가 일치하도록 하는 것
멀티스레드와 멀티 프로세스
- 멀티 스레딩 : 여러 스레드를 병렬적으로 실행, 하나의 프로세스에 대해 여러 스레드가 자원을 공유하면서 실행하게 되는 것을 말한다. Heap과 Data를 공유하면서 진행되므로 자원 측면에서 멀티 프로세싱보다 더 효율적이다.
- 멀티 프로세싱 : 여러 프로세스를 동시에 실행, 일반적으로 하나의 프로그램에 대해서 부모 프로세스로 부터 나온 여러 자식 프로세스로 프로그램을 실행하는 것을 의미한다.
멀티 스레드와 멀티 프로세스의 차이점
멀티 스레드는 멀티 프로세스보다 적은 메모리 공간을 차지하고 문맥 전환이 빠르다는 장점이 있지만 오류로 인해 하나의 스레드가 종료되면 전체 스레드가 종료될 수 있다는 점과 동기화 문제를 안고 있다.
멀티 프로세스 방식은 하나의 프로세스가 죽더라도 다른 프로세스에는 영향을 끼치지 않고 정상적으로 수행된다는 장점이 있지만, 멀티 스레드보다 많은 메모리 공간과 CPU 시간을 차지한다는 단점이 존재한다.
이 두가지는 동시에 여러 작업을 수행한다는 점에서 같지만 적용해야 하는 시스템에 따라 적합/부적합이 구분된다. 따라서 대상 시스템의 특징에 따라 적합한 동작 방식을 선택하고 적용해야 한다.
