[운영체제] Thread

Thread

Thread(쓰레드)

쓰레드(thread) : 프로그램 내부의 흐름 또는 맥

보통 하나의 프로그램은 하나의 흐름이 있다.

int main(void)
{
    int n = 0;
    int m = 6;
    
    printf("%d", n + m);
    while (n < m)
    {
        n++;
    }
    printf("Bye");
}
    

위와 같은 일반적인 프로그램은 프로그램 시작 시부터 종료 때까지 하나의 흐름이 있다. 이를 single thread라고 한다.

multithreads (다중쓰레드)

Multithread : 한 프로그램에 2개 이상의 쓰레드가 존재하는 것. 따라서 프로세스 내부의 2개 이상의 쓰레드가 동시에 작업을 수행하는 것을 의미한다.

하지만 우리는 하나의 cpu 내부에서는 한번에 하나의 작업만 수행할 수 있다고 배웠었다. 그렇다면 이 다중쓰레드에서는 이 법칙이 위배되어 실제로 프로세스 내부에 2개 이상의 쓰레드가 동시에 실행되는 것일까?

정답은 아니다. concurrent와 simultaneous를 비교하면서 이유를 분석해 보자.

< Concurrent vs Simultaneous >

• Concurrent : 뜻은 '동시에'지만 실제로 동시가 아니라 context switching이 굉장히 빠른 속도로 일어나 동시에 일어나는 것처럼 보이는 것.
• Simultaneous : '동시에'라는 뜻, 실제로 여러 개의 cpu등을 두어 동시에 처리하는 것.

Multithread도 thread가 빠른 시간 간격으로 스위칭되어 동시에 수행하는 것처럼 보이는 것이다. cpu가 1개인 이상 여러 연산을 동시에 수행할 수 없다.

multithread의 예) web browser(화면 출력 쓰레드 + 데이터 읽어오는 쓰레드), word processor(화면 출력하는 쓰레드 + 키보드 입력받는 쓰레드 + 철자/문법 오류 확인 쓰레드) 등

Thread vs Process

• Single Thread Program : 하나의 프로세스에 하나의 쓰레드(기본적으로 프로세스는 하나의 쓰레드를 가진 싱글 쓰레드이다.)

• Multi Thread Program : 하나의 프로세스에 여러 개의 쓰레드.

• Context Switching
  

  지금까지의 context switching은 프로세스 단위였다면 이제는 thread 단위로 switching된다. 예를 들어 p1의 쓰레드 1이 실행되었다면 context switching될 때는 p1의 쓰레드 2가 실행된다.

  현대의 컴퓨터는 거의 다중 쓰레드를 가진다.

• 쓰레드의 구조

  • 쓰레드끼리 공유 : 프로세스의 메모리 공간을 공유(code, data), 프로세스의 자원 공유 (file, i/o)

  • 쓰레드끼리 비공유 : 개별적인 pc(쓰레드마다 다음에 실행할 명령어 번지인 pc가 다름), sp, registers, stack(return address나 parameter가 stack에 저장되어 stack까지 공유하면 x)

지금까지 쓰레드를 배운 이유 ? ==> 프로세스 관리 부서의 중요 업무가 cpu 스케줄링과 쓰레드 혹은 프로세스의 동기화이기 때문. 이제 프로세스의 동기화 부분을 살펴보자.

프로세스 동기화(Process Synchronization)

Process의 종류

1 ) Independent : 두 프로세스 간 아무 관계가 없는 독립적인 프로세스.

2 ) Cooperating : 시스템 안에서 하나의 프로세스가 다른 하나에게 영향을 주거나 받는 프로세스.

< cooperating process의 예시 >

• 프로세스 간 통신 : 전자 우편(메세지 주는 프로세스, 메세지 받는 프로세스), 파일 전송
• 프로세스 간 자원 공유 : 메모리 상의 자료들, 데이터베이스 등(프로세스들이 하나의 데이터베이스에 접근하니 프로세스들끼리 서로 영향 미침)

Process Synchronization

Process Synchronization(프로세스 동기화) : shared data에 대한 동시 접근은 data inconsistency를 발생시킴. 이를 막기 위해 프로세스 동기화가 필요.

shared data에 대한 동시 접근으로 인한 data inconsistency 발생의 예 : 은행계좌 문제. 부모는 입금, 자녀는 출금하는 예제.

아래는 은행계좌 문제의 자바 코드이다.

class Test 
{
    public static void main(String[] args)
    throws InterruptedException 
    {
        BankAccount b = new BankAccount();
        Parent p = new Parnet(b);
        Child c = new Child(b);

        p.start();
        c.start();
        p.join();
        c.join();
        System.out.println("\nbalance = " + b.getBalance());
    }
}

class BankAccount
{
    int balance;
    void deposit(int amount)
    {
        balance = balance + amount;
    }
    void withdraw(int amoount)
    {
        balance = balance - amount;
    }
    int getBalancee()
    {
        return balance;
    }
}
class Parent extends Thread
{
    BankAccount b;
    Parent(BankAccount b)
    {
        this.b = b;
    }
    public void run()
    {
        for (int i = 0; i < 1000; i++)
        {
            b.deposit(1000);
        }
    }
}

class Child extends Thread
{
    BankAccount b;
    Child(BankAccount b)
    {
        this.b = b;
    }
    public void run()
    {
        for (int i = 0; i < 1000; i++)
        {
            b.withdraw(1000);
        }
    }
}

자녀가 출금하는 쓰레드와 부모가 입금하는 쓰레드, 즉 멀티쓰레드로 프로그램 구성. 자녀와 부모가 같은 금액을 입금, 출금했는데 잔액이 잘못된 결과값이 나옴 ==> 임계구역 문제.