개념
- light weight process라고도 함
- 프로세스는 프로세스 간 데이터 접근이 불가능하기에 IPC를 이용했음 (스레드와 프로세스의 차이점)
- 스레드
- 하나의 프로세스에 여러개의 스레드 생성 가능
- 스레드들은 동시에 실행 가능
- 프로세스 안에 있으므로 프로세스의 데이터를 모두 접근 가능 (IPC 불필요함)
멀티 프로세싱과 Thread
- 최근 CPU는 멀티 코어가 대부분이므로 Thread를 여러개만들어 멀티 코어의 활용도를 높임
장단점
장점
- 사용자에 대한 응답성 향상
- 자원 공유 효율
- IPC 기법과 같이 프로세스 간 자원공유를 위한 번거로운 작업이 필요 없음
- 프로세스 안에서 데이터 모두 접근 가능
- 작접이 분리되어 코드가 간결
단점
-
스레드 중 한 스레드만 문제가 있어도 전체 프로세스가 영향을 받음
-
스레드를 많이 생성하면 Context Switching이 많이 일어나 성능 저하
- 예) 리눅스 OS에서는 Thread를 Process와 같이 다룸
- 스레드를 많이 생성하면 모든 스레드를 스케쥴링해야 하므로, Context Switching이 빈번할 수 밖에 없음
Thread vs Process
| 프로세스 | 스레드 |
|---|---|
| 독립적 | 프로세스의 서브셋 |
| 각각 독립적인 자원을 가짐 | 프로세스 자원 공유 |
| 자신만의 주소영역을 가짐 | 주소영역 공유 |
| 프로세스 간에는 IPC 기법능로 통신해야 함 | 하나의 프로세스 내에서 자유롭게 접근 가능 |
동기화 (Synchronization)
- 동기화란 작업들 사이에 실행 시기를 맞추는 것
- 여러 스레드가 동일한 자원 (데이터) 접근시 동기화 이슈 발생
- 동일 자원을 여러 스레드가 동시 수정시, 각 스레드 결과에 영향을 줌
동기화 이유 해결 방안
- Mutual exclution (상호 배제)
- 스레드는 프로세스 모든 데이터를 접근할 수 있으므로
- 여러 스레드가 변경하는 공유 변수에 대해 Exclusive access 필요- 어느 한 스레드가 공유 변수를 갱신하는 동안 다른 스레드가 동시 접근하지 못하도록 막음
- 예시 :
lock.acquire()
for i in range(100000):
g_count += 1
lock.release()스레드와 세마포어 (Semaphore)
- Critical Section(임계 구역)에 대한 접근을 막기 위해 locking 메커니즘이 필요
- Mutex(binary semaphore)
: 임계구역에 하나의 스레드만 들어갈 수 있음
- Semaphore
: 임계구역에 여러 스레드가 들어갈 수 있음
: counter를 두어서 동시에 리소스에 접근할 수 있는 허용 가능한 스레드 수를 제어
세마포어 (Semaphore)
- P: 검사 (임계영역에 들어갈 때)
- S값이 1이상이면 임계 영역 진입 후 S값 1차감 (S값이 0이면 대기) - V: 증가 (임계영역에서 나올 때)
- S값을 1더하고, 임계영역을 나옴 - S: 세마포어 값 (초기 값만큼 여러 프로세스가 동시 임계 영역 접근 가능)
P(S): wait(S) {
while S <=0 // 대기
;
S--; // 다른 프로세스 접근 제한
}
V(S): signal(S) {
S++; // 다른 프로세스 접근 허용
}문제점
- wait()은 S가 0이라면 임계영역에 들어가기 위해 반복문을 수행하게 됨 (busy waiting이라고 함)
해결책 (대기큐)
- S가 음수일 경우, busy waiting 대신 대기큐에 넣는다.
wait(S) {
S->count--;
if (S->count < 0) {
add this process to S->queue;
block()
}
}
signal(S) {
S->count++;
if (S->count <= 0) {
remove a process P from S->queue;
wakeup(P)
}
}- wait이 실행되었지만 세마포어에 빈자리가 없는 상태라면 현재 스레드를 block해서 기다리게 만듬
- 이후 세마포어를 먼저 획득한 스레드가 signal을 불러 접근 허용 스레드를 하나 증가(s->count++)시키면
- 1) 기다리던 스레드가 없었고 (증가 이전에 s->count가 0 또는 그 이상) 이제 하나의 스레드가 더 접근할 수 있는 경우 (s->count가 1 또는 그 이상)- 2) 기다리던 스레드가 있었고 (증가 이전에 s->count가 -1 또는 그 이하) 이제 하나의 스레드가 더 접근할 수 있는 경우 (s->count가 0 또는 그 이하)
- 1)의 경우에는 기다리던 스레드가 없었고 증가 이후에 wait(S)을 호출하는 스레드들은 s->count를 감소시키며 block없이 진행할 수 있으므로 signal에서 wakeup을 불러올 필요가 없음
- 2)의 경우에는 기다리던 스레드가 있었고 증가 이후에도 wait(S)를 호출하는 함수들은 다시 s->count를 음수로 만들면서 block할 예정이므로 signal에서 wakeup을 통해서 기다리던 스레드를 깨워주어야 함
참고: 주요 세마포어 함수 (POSIX 세마포어)
- sem_open(): 세마포어를 생성
- sem_wait(): 임계영역 접근 전, 세마포어를 잠그고 세마포어가 잠겨있다면 풀릴 때까지 대기
- sem_post(): 공유자원에 대한 접근이 끝났을 때 세마포어 잠금을 해제한다.
교착 상태(Deadlock)와 기아상태(Starvation)
- 교착상태와 기아상태
- 교착상태는 여러 프로세스가 동일 자원 점유를 요청할 때 발생- 기아상태는 여러 프로세스가 부족한 자원을 점유하기 위해 경쟁할 때, 특정 프로세스는 영원히 자원 할당이 안되는 경우를 주로 의미
교착상태란?
- 무한대기상태: 두 개 이상의 작업이 서로 상대방의 작업이 끝나기만을 기다리고 있기때문에 다음 단계로 진행하지 못하는 상태
교착상태 발생 조건
- 상호배제(Mutual exclusion): 프로세스들이 필요로 하는 자원에 대해 배타적인 통제권을 요구한다.
- 점유대기(Hold and wait): 프로세스가 할당된 자원을 가진 상태에서 다른 자원을 기다린다.
- 비선점(No preemption): 프로세스가 어떤 자원의 사용을 끝낼 때까지 그 자원을 뺏을 수 없다.
- 순환대기(Circular wait): 각 프로세스는 순환적으로 다음 프로세스가 요구하는 자원을 가지고 있다.
- 위의 조건이 모두 성립될 때, 교착상태 발생 가능성이 있음
: 교착상태를 해소하기 위해서는 위의 발생 조건들 중 일부를 해소할 수 있도록 작업수행
기아상태란?
- 특정 프로세스의 우선순위가 낮아서 원하는 자원을 계속 할당받지 못 하는 상태
해결방안
- 프로세스 우선순위를 수시로 변경해서 각 프로세스가 높은 우선순위를 가질 기회주기
- 오래 기다린 프로세스의 우선순위를 높여주기
- 우선순위가 아닌 요청 순서대로 처리하는 FIFO기반 요청큐 사용
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