쓰레드(thread)
하나의 프로세스는 두 가지 특징을 가진다:
- 자원을 소유하는 단위(unit of resource ownership)
- 실행 흐름의 단위(unit of execution stream)
대부분의 현대 운영체제들은 이 두 가지 특성들을 독립적으로 다룬다.
- 자원을 소유하는 단위는 "process" 혹은 "task"라고 부른다.
- 실행 흐름의 단위는 "thread" 혹은 "lightweight process"라고 부른다.
프로세스(process)
실행 중인 프로그램
프로그램은 디스크 상에 존재하며 실행을 위한 명령어와 정적 데이터의 묶음이다.
운영체제는 프로그램 실행을 위해 다음 단계를 거친다.
- 디스크에 있는 프로그램 코드와 정적 데이터를 메모리 속 프로세스의 주소 공간에 탑재(load)
- 프로그램의 스택(stack)을 위한 메모리 영역 할당
- 프로그램의 힙(heap)을 위한 메모리 영역 할당
- 입출력과 관계된 초기화 작업 수행
쓰레드(thread)
쓰레드란, 프로세스 내에서 실행되는 흐름의 단위를 말한다.
실행의 흐름(execution stream)은 stack, register와 밀접한 관련이 있다.
multithreaded process 에서 쓰레드들은 주소 공간을 공유하는 한편, 각자의 레지스터들과 스택을 할당받는다.
✅ Threads의 특징
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실행 상태를 가진다 (running, ready, stopped (blocked))
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실행되지 않을 때는 쓰레드의 문맥(context)을 저장한다
- 두 쓰레드가 하나의 프로세서에서 실행 중이라면 실행하고자 하는 쓰레드는 반드시 문맥 교환(context switch)을 통해서 실행 중인 쓰레드와 교체되어야 한다.
- 프로세스가 문맥 교환을 할 때 프로세스의 상태를 프로세스 제어 블럭(process control block, PCB)에 저장했듯, 프로세스의 쓰레드들의 상태를 저장하기 위해서는 하나 또는 그 이상의 쓰레드 제어 블럭(thread control block, TCB)이 필요하다.
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자신만의 실행 스택을 가진다.
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자신이 속한 프로세스의 메모리 주소 공간과 자원에 접근할 수 있다
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프로세스의 모든 쓰레드는 이 메모리 및 자원을 공유한다
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한 쓰레드가 공용 메모리를 수정하면, 프로세스 내 다른 쓰레드들도 이를 볼 수 있다
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한 쓰레드가 연 파일은 다른 쓰레드들도 사용할 수 있다
✅ Multithreaded Process의 장점
⚡ Responsiveness (응답성)
- 프로세스의 일부가 멈춰도 전체가 멈추지 않게 한다
- 한 쓰레드가 차단(block) 상태에 있어도(아마 읽기 단계에서), 나머지 쓰레드는 계속 실행되고 유저에게 output을 제공한다
🔗 Resource Sharing (자원 공유)
- 쓰레드들은 프로세스의 자원들을 공유하므로, 별도의 IPC(Inter-Process Communication, 프로세스 간 통신)이 불필요하다
💸 Economy (경제성)
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시간이 덜 든다:
- 새로운 프로세스를 생성하는 것보다 새로운 쓰레드를 생성하는 것이
- 프로세스를 종료하는 것보다 쓰레드를 종료하는 것이 -
매우 적은 자원만 사용한다.
경쟁 조건(race condition)
명령어의 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 상황을 경쟁 조건(race condition)이라고 한다.
예를 들어,
counter = counter + 1;
위 코드는 다음과 같은 순서로 실행될 것이다.
mov (counter 변수 주소), %eax
add $0x1, %eax
mov %eax, (counter 변수 주소)- 메모리 주소의 값을 읽어들여 eax 레지스터에 저장
- eax 레지스터의 값에 1 더함
- eax에 저장되어 있는 값을 메모리의 원래 주소에 다시 저장
만약, count의 값이 50이고
쓰레드 1이
1. 50을 eax 레지스터에 넣음. eax=50
2. 레지스터의 값에 1을 더하여 eax=51
3. 타이머 인터럽트 발생. 현재 상태를 쓰레드의 TCB에 저장
쓰레드 2가
1. counter 값을 얻어와서 eax에 넣음. eax=50
2. 레지스터의 값에 1을 더하여 eax=51
3. counter에 51 저장
쓰레드 1이 리턴하여 아까 계산한 eax=51을 counter에 저장.
counter를 증가시키는 코드가 두 번 수행이 되었지만 50에서 시작한 counter의 값은 1 증가한 51이다.
✅ 임계 영역(critical section)
공유 자원에 접근하는, 하나 이상의 쓰레드에서 동시에 실행되면 안되는 코드
✅ 경쟁 조건(race condition)
멀티 쓰레드가 거의 동시에 임계 영역을 실행하려고 할 때 발생하며 공유 자료 구조를 모두가 갱신하려고 시도한다면 의도하지 않은 결과를 만든다.
✅ 비결정적(Indeterminate) 프로그램
비결정적 프로그램은 하나 또는 그 이상의 경쟁 조건을 포함하여 그 실행 결과가 각 쓰레드가 실행된 시점에 의존하기 때문에, 프로그램의 결과가 실행할 때마다 다르다.
경쟁을 피하려면, 상호 배제(mutual exclusion)라는 기법을 사용하여서 하나의 쓰레드만이 임계 영역에 진입할 수 있도록 보장해야 한다.
