🌌[Pintos] 1. THREADS

과제를 완성하는 것이 많이 벅차지만, 구현하면서 알게된 점을 조금씩이라도 남겨보려고 한다.

메인 스레드와 idle 스레드

pintos의 부팅 시, 기본적으로 메인 스레드와 idle 스레드가 생성된다.

• 메인 스레드는 init.c에 있는 main()함수가 스레드 루틴이 된다.

  • Pintos 구동을 위한 기본적인 초기화를 수행한다.
  • run_actions() 함수를 통해 인자로 넘겨받은 테스트 이름과 일치하는 테스트를 수행한다.

• idle 스레드는 thread.c에 있는 idle()함수가 스레드 루틴이 된다.

  • 일단 자신을 한 번 block()시키면서 스케줄 될 수 있는 다른 스레드에게 cpu를 양보한다.
  • ready_list가 비어있는 경우, 자기 자신이 다시 스케줄 된 후에 인터럽트를 기다린다.
  • cpu가 비어있는 상황을 체크하는, 통계를 위한 스레드라고 이해할 수 있다.

idle 스레드의 생성 과정

1. 메인 스레드는 idle_started라는 세마포어를 생성하고, 0으로 초기화 한다.

2. 메인 스레드는 thread_create() 함수를 통해 idle 스레드를 생성한다. idle의 스레드 루틴으로 idle() 함수를 등록하고, 루틴의 인자로 1에서 만든 idle_started 세마포어를 전달한다. thread_create() 내의 unblock()이 있기 때문에, idle 스레드는 ready_list에 추가된다.

3. 메인스레드 자신은, idle_started 세마포어에 대해 down 을 시도하면서 block() 된다.

➡️ 메인스레드가 block 되면서 ready_list에 있던 idle 스레드가 스케줄 되면서 그의 스레드 루틴인 idle() 함수가 실행된다.

4. idle 스레드는 자신을 idle_thread 전역변수에 등록한다.

5. idle_started 세마포어를 up 해주면서, 3에서 block()된 main 스레드를 unblock()시켜준다. 이로 인해 메인 스레드는 ready_list에 들어가게 된다.

6. idle 스레드는 자신을 block()시키고, ready_list에 있던 메인 스레드가 스케줄 되면서 다시 실행된다. 메인 스레드는 자신이 진행하던 초기화들을 다시 재개한다. 즉, 이 이후에 메인스레드는, 메인스레드 자신이 생성하는 스레드들과 함께 cpu를 양보하고 뺏으면서 ready_list와 cpu 사이를 오갈 것이다.

➡️ 주목할 점은 ,이후 idle 스레드에 대한 unblock()이 명시적으로 실행되지 않는다는 점이다. idle 스레드가 4 ticks (time_slice) 이상 cpu위에 올라온 상태가 되어 thread_yield()가 실행되더라도, thread_yield() 는 idle 스레드를 ready_list에 올려주지 않는다(조건문으로 구현되어 있음). 다만 어떤 스레드가 실행되던 와중에 어떤 이유로든 schedule()이 실행되었을 때, ready_list가 비어있다면, 그제서야 idle 스레드가 cpu에 올라가게 된다.

external interrupt

이렇게 계속 idle 스레드에 관심을 가졌던 이유는, alarm-clock 구현 시 thread들의 busy wait를 sleep으로 개선해야 했고, 개선이 되었는지를 확인하기 위해 idle_ticks가 사용되었기 때문이었다. idle_ticks는 ready_list에 더 이상 ready 상태인 스레드가 없어 스케줄될 다음 스레드가 없는 상태, 즉 cpu가 비어있게 되는 상태를 체크하기 위한 변수이다. cpu가 비어있던 tick만큼 해당 값이 증가하는데, 바로 이 지점에서 idle 스레드가 interrupt를 발생시키는 것이 아닌가 하는 착각을 하게 되어 많은 혼란이 있었다. 그래서 interrupt에 대해 좀 더 살펴볼 필요가 있었다.

이번 프로젝트에서 계속 발생했던 timer interrupt는 external interrupt의 일종이다.
external interrupt는 cpu 외부의 장치에서 발생시키는 interrupt이다. 이는 곧, external interrupt는 스레드가 발생시키지 않는다는 말과 같다.

다만, external interrupt가 발생했을 때 방금 전까지 cpu위에서 실행되고 있었던 스레드가 존재할 뿐이다.idle_ticks가 증가 할 수 있었던 이유가 바로 여기에 있다. timer interrupt를 처리하는 timer_interrupt() 라는 인터럽트 핸들러는 thread_tick() 함수를 실행하는데, 그 함수는 현재 cpu위에 올라가 있는 스레드를 확인해 해당 스레드와 상응하는 전역변수 (idle_ticks or kernel_ticks)를 1 증가시켜 준다. 이를 통해 우리는 idle_ticks의 값을 증가시키고 테스트 종료 후 확인할 수 있었던 것이다.

schedule

명시적인 생성 호출(thread_create())을 쉽게 관찰할 수 있는 여타 스레드들과 달리, pintos 부팅 시 기본적으로 생성되어 간과하기 쉬운 스레드(메인 스레드, idle스레드)들이 어디에 저장되고 어떻게 관리되는지를 알아 볼 수 있는 기회였다.

결국 이 모든 이야기의 결론은, 스레드는 큐에 저장되든, 전역 변수에 등록되든 기억되고 있어야 한다는 점이다. 어쨋든 스레드들이 어딘가에 기억되고 있어야, 현재 시스템에 채택된 schedule 방법을 적용하여 스레드들을 관리할 수 있는 것이다.

워낙 구현이 촉박하다보니, 앞으로는 중간중간 짧은 메모 형식으로 알게된 내용을 적어 볼 예정이다.