Introduction

thread (혹은 lightweight process)는 CPU 수행단위로,
program counter, register set, stack space 를 thread 마다 별도로 가지고 있어야 한다.

그외의 모든 것은 공유 가능하다.

thread 가 동료 thread 와 공유하는 부분 (=task) 는,
code section, data section, OS resources 가 있다.

전통적인 개념의 heavyweight process는 하나의 thread를 가지고 있는 task로 볼 수 있다.

Single-threaded approach
Traditional approach of a single thread of execution per process has no concept of thread
ex) MS_DOS, old UNIX

Multi-threaded approach
Virtually all modern operating systems provide features enabling a process to contain multiple threads of control.

One process with multiple threads of execution
ex) Java run-time environment

Multiple processes with each of which supports multiple threads
ex) Windows, Solaris, modern UNIX

✔️ Process vs. Threads
Process 가 리소스를 가지는 주체이나, CPU 할당인 Scheduling 은 Thread 별로 해주겠다.

• The unit of resource ownership is referred to as a process or task.
  • Virtual address space (process image on memory)
  • Protected access to processors, files, and I/O devices
• In OS that supports threads, the sheduling unit is usually referred to as a thread or lightweight process.

✔️ Multi Threading
The ability of an OS to support multiple, concurrent paths(threads) of execution within a single process

• Process is the unit of resource allocation and protection
• Thread is the unit of dispatching with the following state
  • Thread execution state (Ready, Run)
  • Thread context : register values (PC, stack pointers)
  • Thread execution stack (user stack, kernel stack)

All the threads of a process share the same address space and share the resources of that process

• when on thread alters the data item in memory, other threads see the results when they access the item.
• If one thread opens a file with read privileges, other threads can also read from that file.

advantages

✔️ 다중 스레드로 구성된 태스크 구조에서는 하나의 서버 스레드가 blocked(waiting) 상태인 동안에도 동일한 태스크 내의 다른 스레드가 실행(running)되어 빠른 처리를 할 수 있다.

✔️ 동일한 일을 수행하는 다중 스레드가 협력하여 높은 처리율 (throughput)과 성능 향상을 얻을 수 있다.

✔️ 스레드를 사용하면 병렬성을 높일 수 있다.

✔️ 응답성이 빠르다

✔️ 자원 공유라는 효율성

✔️ creating & CPU switching thread (rather than a process) 면에서 경제적이다

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Multithreading

✔️ Benefits

• Faster Response
  • A process can continue running even if part of it is blocked or takes a long time
• Parallel Processing
  • Even greater in a multicore system since threads can run in parallel on different processor cores
• Efficient sharing of memory and resources
  • Threads can share code and data since they are in the same address space
  • Threads can communicate through shared-memory rather then kernel-supported signals
  • Threads can also share resources of the process to which they belong
• Economy
  • Thread creation, switching, termination, and communication cost much less than process counterparts

✔️ In OS with multithreading, scheduling and execution state is maintained at the thread-level, however some actions affect all the threads in the process.

Thread State

• Ready, Run, Blocked
Suspended does not make sense since it is process-level state

User-Level Threads

쓰레드가 없던 시절, 라이브러리로 지원되도록 하는 버전이다. 스케줄링 스위칭 등등 모두 라이브러리로 지원한다. 빠르고 효율적이지만, 사실 싱글 프로세스 싱글 CPU 라서 병렬 처리가 불가능하다. U시스템콜이 생기면 전체 프로세스가 블록된다. 그래도 커널 진입이 없어서 가볍고, 애플리케이션에 맞게 스케줄링 알고리즘을 최적화해서 개발할 수 있다는 이런 장단점이 있다.

Kervel-Level Threads

유저 레벨의 과도기를 거쳐서 OS가 쓰레드를 생성해주기 시작했다. 병렬 처리도 가능한 멀티스레드이다! 단점이 있다면 스위칭 오버헤드, 속도가 높아진다는 것이다. (오버헤드가 유저레벨의 10배 이상이다.)

그래서 제일 좋은 것은? 둘의 장점을 모두 사용하는 것이다!

Combined Approach

Thread creation is done completely in the user space.
Multiple threads within the same process can run in parallel on multiple processors 👉 A blocking system call need not block the entire process

다음 그림은 멀티스레드 환경에서 스레드 사이의 메모리가 공유되는 것을 나타낸다.

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🔗 Reference

[KUOCW] 반효경 교수님, 최린 교수님의 운영체제 강의를 수강하고 정리한 내용입니다. 잘못된 내용이 있다면 댓글로 알려주시면 감사하겠습니다 😊