[운영체제] 멀티 쓰레드

1. 쓰레드(Thread) 란

• 경량화 된 프로세스 (a lightweight process)
• 가장 작은 CPU 점유 단위
• 쓰레드는 프로세스 내부에서 thread ID, program Counter, register Set 그리고 stack 으로 구성된다.

2. 멀티 쓰레딩의 장점

프로세스 하나로 처리 할 때와 프로세스 내부 여러개의 쓰레드로 처리 할 때를 비교해보자.

1. 빠른 응답 처리
   • 새로운 요청이 들어오면 프로세스 단위에서 처리하지 않고, 프로세스 내부에서 새로운 쓰레드를 생성하고, 새로운 요청을 받을 수 있어서(Non-Blocking) 계속해서 실행 할 수 있다.
2. 자원 공유
   • 프로세스 내부 쓰레드에서는 데이터영역을 공유하기 때문에, 따로 shared-memory 나 message-passing 을 구현하지 않아도 된다.
3. 경제적이다.
   • 프로세스를 하나를 새로 만드는 것 보다, 프로세스 내부 쓰레드를 생성하는 것이 효율적
   • PCB를 옮기는 컨텍스트 스위칭보다 쓰레드 컨텍스트 스위칭이 더 효율적
4. 확장성이 좋다.
   • 멀티 쓰레드를 통해 병렬 처리도 가능하다.

3. 멀티 코어 시스템에서의 멀티 쓰레딩

• 싱글 코어 : 쓰레드는 시분할 되어 실행 된다.
• 멀티 코어 : 쓰레드가 병렬적으로 실행된다.
• 프로그래밍 적인 문제
  • 멀티코어, 즉 각 코어에 데이터를 분할해야하는데 어떤 기준으로 데이터를 분할 해야 할 지 고려해야한다.
  • 데이터 동기화, 의존성, 수행적 측면에서의 밸런스 유지 등을 고려해야 한다.
  • 테스팅 , 디버깅의 어려움 (각 쓰레드가 서로가 어떤 작업을 하고 있는지 모르므로 )

병렬처리

• 데이터 병렬
  • 데이터를 기준으로 여러개의 코어에 분할한다.
• 작업 병렬
  • 데이터는 분할 하지 않고, 작업 단위로 코어에 분할한다.

4. 쓰레드의 종류

1. 유저 쓰레드 (User Threads)

• 사용자 모드 ( User space ) 에서 사용하는 쓰레드
• 커널 support 없이 커널 위에서 쓰레딩

2. 커널 쓰레드 (Kernel Threads)

• 커널 모드 ( Kernel space)
• 코어에서 운영체제가 직접 관리하는 쓰레드
  
  
  
  

유저 쓰레드와 커널 쓰레드의 관계

• 다대일 모델 : 많은 유저 쓰레드에 하나의 커널 쓰레드 맵핑
• 일대일 모델 : 하나의 유저 쓰레드에 하나의 커널 쓰레드 맵핑
• 다대다 모델 : 많은 유저 쓰레드에 많은 커널 쓰레드 맵핑

5. 쓰레드 라이브러리

쓰레드를 만들고, 관리하는 API

• POSIX Pthreads
• Windows thread
• Java Thread ( 운영체제 종속적)

6. Implicit Threading

위의 라이브러리는 프로그래머가 직접 쓰레드를 관리해주는 Explicit Threading 방식이었다. 그에 반해 implicit threading 이란, 프로그래머가 직접 쓰레드를 생산, 관리하는 것이 아니라 운영체제에게 쓰레드 생산, 관리를 맡기는 것이다.

• Thread Pool

  • 여러개의 쓰레드를 풀에 생성해 놓고, 필요 할 때 사용하는 방법

• Fork & Join

  • 메인 쓰레드가 여러개의 자식 쓰레드들을 만들고 (Fork) 자식 쓰레드들이 일을 마치고 다시 합쳐지는 (join) 방법

• Open MP

  • 컴파일 지시어를 사용해서 C/C++ 에서 병렬처리를 지원하는 방법
  • 병렬적으로 처리할 코드 블록에 컴파일러 지시문을 삽입하면, 해당 지시문이 지정된 코드 블록에 Open MP 라이브러리를 실행한다.

• GCD (Grand Central Dispatch)

  • MAC OS와 IOS에서 사용하는 방식으로 병렬로 처리할 블록을 지정하고, 병렬하게 처리할 수 있는 dispatch queue에 할당시켜 병렬적으로 사용하는 방법

번외 ) 왜 자바스크립트는 싱글 쓰레드일까?

자바스크립트는 싱글 쓰레드 언어이지만, 비동기적으로 구현된 이벤트 루프 덕분에 멀티 쓰레드 처럼 동작한다.

그렇다면 왜 자바스크립트는 싱글 쓰레드로 구현된걸까? 여러 이유가 있겠지만, 프론트엔드 개발자 관점에서 간단히 살펴보면 아래와 같다.

동기적으로 실행시 UI 중단 발생

비동기 함수는 일반적으로 파라미터를 통해서 콜백을 받고, 비동기 함수가 호출된 후 즉시 다음 줄 실행이 계속된다. 콜백은 비동기 작업이 완료되고 호출 스택이 비어 있을 때만 호출된다. 따라서 웹 서버에서 데이터를 로드하거나 데이터베이스를 쿼리하는 등의 무거운 작업을 비동기식으로 수행하여, 메인 스레드가 긴 작업을 완료할 때까지 블로킹하지 않고 다른 작업을 계속할 수 있다.
만약 동기적으로 구현되어 메인 스레드가 긴 작업을 완료할 때 까지 블록킹이 된다면 브라우저의 UI가 중지되는 문제가 발생 할 수 있다.

이벤트의 순서를 보장

서버 측 프로그래밍과 달리 프론트엔드에서는 사용자 이벤트의 순서를 보장해야한다. 아래의 예시를 보자

1. 사용자가 Input 란에 텍스트를 입력한다.
2. 폼을 제출하면 Input 란에 입력된 텍스트를 검증한다.
3. 입력된 텍스트가 n자 이상이면 alert를 띄워준다.

• 위와 같은 일련의 클라이언트 처리 과정을 순서대로 보장해줘야 한다. 만약 멀티 쓰레드로 구현이 되어있어서 Input 텍스트 입력받는 쓰레드, 폼을 제출 했을 때 텍스트를 검증하는 쓰레드, alert 띄워주는 쓰레드가 각각 동시에 실행된다면 Input 에 텍스트를 입력했더니 특정 alert를 받았다 라는 이벤트 처리 과정을 보장하지 못한다.

참고 / 이미지 출처

• 인프런 운영체제 공룡책 강의

• cs.uic.edu