스레드
프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위.
스레드는 코드, 데이터, 힙은 스레드끼리 서로 공유하고 그 외의 영역은 각각 생성된다.
멀티스레딩
멀티 스레딩은 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드, 멀티스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다. 예를 들어 웹 요청을 처리할 때 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며, 한 스레드가 중단 되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다.
또한 동시성에도 큰 장점이 있다. 하지만 한 스레드에 문제가 생기면 다른 스레드에도 영향을 줄 수 있는 단점이 있다.
동시성 : 서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것처럼 보여주는것
예시그림
공유 자원(shared resource)
공유자원(shared resource)은 시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등의 자원이나 변수 등을 의미한다. 이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 읽거나 쓰는 상황을 경쟁상태(race condition)라고 한다. 동시에 접근을 시도할 때 접근의 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태인 것이다.
예를들면 그림처럼 프로세스A 와 프로세스B 가 동시에 접근하여 타이밍이 서로 꼬여 정상 결과값은 300인데 200이 출력된다.
임계 영역(critical section)
임계 영역(critical section)은 둘 이상의 프로세스, 스레드가 공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 코드 영역을 말한다. 임계영역을 해결하기 위한 방법은 크게 뮤텍스, 세마포어, 모니터 세가지가 있으며 이 방법 모두 상호배제, 한정대기, 융통성이란 조건을 만족한다. 이 방법에 토대가 되는 매커니즘은 잠금(lock).
예를들어 임계영역을 화장실이라고 가정하면 화장실에 A라는 사람이 들어간 다음 문을 잠그고 다음사람이 이를 기다리다 A가 나오면 화장실을 쓰는 방법이다.
상호배제(mutual exclusion) : 한 프로세스가 임계 영역을 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
한정대기(bounded waiting) : 특정 프로세스가 영원히 임계영역에 들어가지 못하면 안 된다.
융통성(progress) : 만약 어떠한 프로세스도 임계영역을 사용하지 않는다면 임계 영역 외부의 어떠한 프로세스도 들어갈 수 있으며 이 때 프로세스끼리 서로 방해하지 않는다.
뮤텍스
프로세스나 스레드가 공유 자원을 lock()을 통해 잠금 설정하고 사용한 후에는 unlock()을 통해 잠금 해제하는 객체. 잠금이 설정되면 다른 프로세스나 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 해제는 그 와 반대이다. 잠금 or 잠금해제 상태만을 가진다.
세마포어
일반화된 뮤텍스이다 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait 및 signal로 공유자원에 대한 접근을 처리한다.
wait() : 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수
signal() : 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수
프로세스나 스레드가 공유자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스나 스레드가 공유 자원을 해제하면 세마포어에서 signal() 작업을 수행한다. 세마포어에는 조건 변수가 없고 프로세스나 스레드가 세마포어 값을 수정할 때 다른 프로세스나 스레드는 동시에 세마포어 값을 수정할 수 없다.
바이너리 세마포어
0과 1의 두가지 값만 가질 수 있는 세마포어. 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있지만 엄밀히 말하면 뮤텍스는 잠금을 기반으로 상호배제가 일어나는 '잠금 메커니즘'이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 '신호 메커니즘' 이다.
신호메커니즘 = 휴대폰에서 노래 듣다가 전화오면 노래는 중지되고 통화처리 작업에 관한 인터페이스가 등장하는것을 상상하면 된다.
카운팅 세마포어
카운팅 세마포어는 여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어. 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용된다.
모니터
모니터는 둘 이상의 스레드가 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.
그림처럼 모니터는 모니터큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다. 모니터는 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.
교착 상태(deadlock)
교착상태(deadlock)은 두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.
예를 들어 프로세스A가 프로세스B의 어떤 자원을 요청할 때 프로세스B도 프로세스A가 점유하고 있는 자원을 요청하는 것이다. 이에대한 원인과 해결 방법은 다음과 같다.
교착상태의 원인
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상호배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가
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점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태
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비선점 : 다른 프로세스가 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
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환형 대기 : 프로세스 A는 프로세스B의 자원을 요구하고, 프로세스B는 프로세스A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.
교착상태의 해결 방법
- 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계한다.
- 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원 할당되며, 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 쓴다.
- 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
- 교착상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. 현대 운영체제는 이 방법을 쓴다. 예를 들어 프로세스를 실행시키다가 '응답없음'이라고 뜰때가 있다. 교착상태가 발생한 경우 이와 같은 경우가 발생하기도 한다.
은행원 알고리즘 : 총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘
