4 장 : 다중 쓰레드 프로그래밍

Mi-Jung [email protected]

Dept. of Computer and Science

Silberschatz, Galvin and Gagne ©2006Operating System Principles

4 장 : 다중 쓰레드 프로그래밍

- 2 -운영체제 Fall 2011

4 장 . 다중 쓰레드 프로그래밍

4 장 : 다중 쓰레드 프로그래밍 개요 다중 쓰레딩 모델 (Multithreading Models) 쓰레딩 주요 사항들 (Threading Issues)

Pthreads 윈도우 쓰레드 (Windows Threads) 리눅스 쓰레드 (Linux Threads) 자바 쓰레드 (Java Threads)



쓰레드란 ? 프로세스 내의 제어 흐름이다 (a flow of control within a

process) 단일 쓰레드 프로세스 , 다중 쓰레드 프로세스

CPU 이용의 기본 단위로서 아래 정보들로 이루어진다 쓰레드 ID, 프로그램 카운터 , 레지스터 집합 , 스택

같은 프로세스 내에 속한 다른 쓰레드들과 코드 영역 , 데이터 영역 , 운영체제의 다른 자원들 ( 개방 파일 , 신호 )을 공유한다

하나의 프로세스가 제어의 다중 쓰레드를 가진다면 , 그 프로세스는 하나 이상의 작업을 동시에 수행할 수 있다



단일 및 다중 쓰레드 프로세스



다중 쓰레드 프로그램 현대 운영체제에서 수행되는 많은 소프트웨어 패키지들은

다중 쓰레드를 지원한다

웹 브라우저는 다음과 같이 이루어져야 한다 이미지나 텍스트를 전시하는 쓰레드 1 개 네트워크로부터 데이터를 가져오는 또 다른 쓰레드 1 개

워드 프로세서는 다음과 같이 이루어질 수 있다 그래프를 전시하는 쓰레드 1 개 사용자의 키 스트로크에 응답하는 또 다른 쓰레드 1 개 스펠링과 문법 검사를 수행하는 세 번째 쓰레드



멀티 쓰레드 프로그램 웹 서버

단일 쓰레드 웹 서버 : 한 클라이언트는 요청에 대한 서비스가 완료될 때 까지 기다려야 한다

다중 프로세스 웹 서버 : 쓰레드가 일반적이기 전에 사용되었다 . 새로운 프로세스를 생성하는데 많은 오버헤드가 발생한다

다중 쓰레드 웹 서버 : 쓰레드 생성에 적은 오버헤드 , 다중 클라이언트에 대한 동시 서비스

많은 운영체제 커널들이 현재 다중 쓰레드 기반이다 여러 쓰레드들이 커널 내에서 동작한다 각 쓰레드는 장치를 관리하거나 인터럽트를 처리하는 등의 특정

작업을 수행한다



다중 쓰레드 프로그램의 장점 반응성 (Responsiveness)

상호작용하는 응용의 다중쓰레딩은 하나의 프로그램이 차단되어도 수행을 계속하게 하거나 긴 연산을 수행하도록 한다

자원공유 (Resource Sharing) 쓰레드는 프로세스에게 소유된 메모리와 자원을 공유한다

경제성 (Economy) 하나의 프로세스 내의 쓰레드는 자원을 공유하기 때문에 , 쓰레드

생성과 내용 - 전환 (context-switch) 을 수행함에 있어 더 경제적이다

솔라리스에서 프로세스를 생성하는 것이 쓰레드를 생성하는 것보다 약 30 배 정도 더 느리다

다중 프로세서 구조의 활용 쓰레드는 서로 다른 프로세서에서 병렬로 실행될 수 있다



쓰레드의 두 가지 유형 사용자 쓰레드 (User Thread) 커널 쓰레드 (Kernel Thread)

사용자 레벨 쓰레드는 프로그래머에게는 보이고 , 커널에게는 알려지지 않은 쓰레드들이다

운영체제 커널은 커널 레벨 쓰레드를 지원하고 관리한다

일반적으로 사용자 레벨 쓰레드들은 커널 쓰레드들보다 더 빨리 생성하고 관리할 수 있다 . 왜냐하면 커널의 개입이 필요하지 않기 때문이다



사용자 쓰레드 (User Threads) 쓰레드 관리는 사용자 레벨 쓰레드 라이브러리에 의해

이루어진다 사용자 쓰레드는 커널 위 (above) 에서 지원되나 , 커널의 지원 없이

관리된다

세 가지 기본 쓰레드 라이브러리 : POSIX Pthreads Win32 쓰레드 Java 쓰레드



커널 쓰레드 (Kernel Threads) 커널에 의해 지원 받는다

쓰레드는 운영체제에 의해 직접 지원받고 관리된다

예제 윈도우 XP/2000 솔라리스 리눅스 Tru64 유닉스 맥 OS X



다중 쓰레딩 모델 사용자 쓰레드들과 커널 쓰레드들 사이의 관계

다 - 대 - 일 (Many-to-One)

일 - 대 - 일 (One-to-One)

다 - 대 - 다 (Many-to-Many)



다 - 대 - 일 (Many-to-One) 많은 사용자 쓰레드들이 하나의 커널 쓰레드에 매핑된다

쓰레드 관리는 사용자 공간의 쓰레드 라이브러리에 의해 이루어진다

사용자가 원하는 만큼의 많은 사용자 쓰레드를 생성할 수 있으므로 효율적이다

하나의 쓰레드가 봉쇄형 (blocking) 시스템 호출을 할 경우 , 전체 프로세스가 봉쇄된다

한 번에 하나의 쓰레드만이 커널에 접근할 수 있기 때문에 , 다중 쓰레드가 다중 프로세서에서 돌아도 병렬로 작동할 수 없다

예제 : 솔라리스 쓰레드 라이브러리 (green thread) GNU Portable 쓰레드



다 - 대 - 일 모델



일 - 대 - 일 각 사용자 레벨 쓰레드는 커널 쓰레드와 매핑된다

다 - 대 - 일 모델보다 더 많은 병렬성을 제공한다 하나의 쓰레드가 차단 시스템 호출을 부르면 , 또 다른 쓰레드가

수행되도록 한다

사용자 쓰레드를 생성하는 것은 그에 대응하는 커널 쓰레드를 생성하는 것을 필요로 한다 – 오버헤드

하나의 프로세스가 생성할 수 있는 쓰레드의 수는 다 대 일 모델보다 더 적다 – 너무 많은 쓰레드를 생성하지 않도록 주의해야 한다

예제 윈도우 NT/XP/2000 리눅스 솔라리스 9 과 그 이후 버전



일 - 대 - 일 모델



다 - 대 - 다 모델 많은 사용자 레벨 쓰레드는 그와 같거나 그 보다 더 적은

수의 커널 쓰레드와 매핑되게 된다

운영체제가 충분한 수의 커널 쓰레드를 생성하도록 한다

커널 쓰레드의 수는 응용이나 기계에 따라 결정된다

예제 솔라리스 9 이전 버전 ThreadFiber 패키지를 가진 윈도우 NT/2000



다 - 대 - 다 모델



두 단계 모델 다 - 대 - 다 모델의 한 가지 대중적인 변화

다 - 대 - 다 모델과 유사함 , 많은 사용자 레벨 쓰레드를 같은 수나 더 적은 수의 커널 쓰레드로

다중화시킨다

그러나 하나의 사용자 쓰레드는 하나의 커널 쓰레드에 종속되도록 허용한다

예제 IRIX HP-UX Tru64 유닉스 솔라리스 8 과 그 이전 버전들



두 단계 모델



이 매핑은 어떤 모델인가 ?

Kernel Threads

User Threads



쓰레드 라이브러리들 쓰레드 라이브러리는 프로그래머에게 쓰레드를 생성하고

관리하기 위한 API 를 제공한다

구현의 두 가지 기본적인 방법 라이브러리를 커널의 지원없이 사용자 공간에서 전부 제공한다

라이브러리를 위한 모든 코드와 데이트 구조는 사용자 공간에 존재한다

모든 함수 호출은 커널 모드가 아닌 사용자 모드에서 실행된다 운영체제에 의해 지원 받는 커널 레벨 라이브러리를 구현한다

모든 코드와 데이터 구조는 커널 공간에 존재한다 함수 호출은 커널의 시스템 호출을 야기한다

세 가지 주요 쓰레드 라이브러리들 POSIX Pthreads - 솔라리스 , 리눅스 , 맥 OS X, Tru64 유닉스 Win32 쓰레드 - 윈도우 Java 쓰레드 - 자바



경량 프로세스 (Light Weight Processes: LWP) 다 - 대 - 다 또는 두 단계 모델을 구현한 많은 시스템들은 사용자와 커널

쓰레드 사이에 중간형태의 데이터 구조를 둔다

이 데이터 구조가 경량 프로세스라고 알려진 것이다 하나의 사용자 쓰레드는 하나의 LWP 에 부속된다 각 LWP 는 하나의 커널 쓰레드에 부속된다 운영체제는 CPU 에서 수행되기 위해 프로세스가 아닌 커널 쓰레드를

스케줄링 한다 커널 쓰레드가 봉쇄되면 , LWP 도 봉쇄되고 , 사용자 쓰레드도 봉쇄된다

사용자 쓰레드 라이브러리에게 , LWP 는 응용 프로그램이 사용자 쓰레드가 수행되도록 스케줄링할 수 있는 가상 CPU 처럼 보인다

사용자 쓰레드 라이브러리는 LWP 에 대한 사용자 쓰레드 사이에서 스케줄링을 책임져야 한다 . 이것은 커널의 CPU 스케줄링과 유사하다

일반적으로 , 사용자 쓰레드 사이에서 내용 전환은 LWP 의 사용자 쓰레드를 취하고 그것을 다른 쓰레드로 교환하는 것을 포함한다



쓰레딩의 주요 사항들 fork() 와 exec() 시스템 호출 쓰레드 취소 (cancellation) 시그널 처리 (signal handling) 쓰레드 풀 (pool) 쓰레드별 데이터 (thread-specific data) 스케줄러 활성화



fork() 와 exec() 시스템 호출 fork() 시스템 호출은 별도의 복제된 프로세스를

생성하는데 사용된다

만약 한 프로그램의 쓰레드가 fork() 를 호출하면 , 새로운 프로세스는 모든 쓰레드를 복제해야 하는가 ? 아니면 한 개의 쓰레드만 가지는 프로세스여야 하는가 ?

몇몇 유닉스 기종은 이 두 가지 버전 fork() 를 다 제공한다



쓰레드 취소 (Cancellation) 쓰레드가 끝나기 전에 다른 쓰레드에 의해 종료되는 것을

일컫는다 예 : 여러 쓰레드가 데이터베이스를 병렬로 검색하고 있다가 그

중 한 쓰레드가 결과를 찾았다면 나머지 쓰레드들은 취소된다

목적 쓰레드 (target thread) 를 취소하는 두 가지 일반적인 방법 비동기 취소 (Asynchronous cancellation) 는 한 쓰레드가 즉시 목적 쓰레드를 강제 종료시킨다

지연 취소 (Deferred cancellation) 는 목적 쓰레드가 주기적으로 자신이 강제 종료되어야 할지를 점검한다 . 이 경우 목적 쓰레드가 질서 정연하게 강제 종료될 수 있는 기회가 만들어진다



쓰레드 취소 비동기화 취소 (Asynchronous cancellation)

쓰레드 취소의 어려움은 상황에 따라 발생한다

자원이 취소된 쓰레드에게 할당되어 있거나 , 다른 쓰레드와 자원을 공유하고 있는 쓰레드가 데이터를 갱신하고 있는 도중에 취소 요청이 와도 문제가 된다

지연 취소 (Deferred cancellation) 한 쓰레드가 목적 쓰레드가 취소 예정이라고 표시한다 취소는 목적 쓰레드가 취소 여부를 결정하기 위하여 플래그를

검사한 이후에야 일어난다



신호 처리 신호는 유닉스에서 프로세스에게 어떤 사건이

일어났음을 알려주기 위해 사용된다

신호의 두 가지 유형 동기화 신호 (Synchronous signals)

불법적인 메모리 접근 , 0 으로 나누기 비동기화 신호 (Asynchronous signals)

특수기를 누르는 것 (Ctrl-C), 타이머 만료

신호가 발생하면 어떤 일이 생기는가 ?1. 신호는 특정 사건이 일어나야 발생한다2. 신호가 생성되면 커널로부터 프로세스에게 전달된다3. 신호가 전달되면 반드시 처리되어야 한다



신호 처리 모든 신호는 둘 중 하나의 처리기에 의해 처리된다

디폴트 신호 처리기 사용자 정의 신호 처리기

모든 신호마다 커널에 의해 실행되는 디폴트 신호 처리기가 있다 이 디폴트 처리기는 신호를 처리하기 위해 호출되는 사용자 정의

신호 처리기에 의해 대체될 수 있다

다중 쓰레드 프로세스에서 신호처리는 더욱 복잡하다 . 신호를 전달함에 있어 다음과 같은 선택이 존재한다 신호가 적용될 쓰레드에게 전달한다 프로세스 내의 모든 쓰레드에게 전달한다 프로세스 내의 몇몇 쓰레드들에게만 선택적으로 전달한다 특정 쓰레드가 모든 신호를 전달받도록 지정한다



쓰레드 풀 (Thread Pools) 쓰레드가 작업을 기다리는 쓰레드 풀

프로세스는 시작시에 일정 수의 쓰레드를 생성하여 쓰레드 풀에 놓는다

요청을 받으면 , 서버는 풀로부터 쓰레드를 깨워서 요청을 서비스에게 전달한다

쓰레드가 서비스를 끝내면 , 다시 풀로 반환되고 다음 작업을 기다린다

만약 풀이 더 이상 가용 쓰레드를 포함하고 있지 않으면 , 서버는 하나의 풀이 자유로워 질때까지 기다린다

장점 : 보통 존재하는 쓰레드에 요청하는 것이 새로운 쓰레드를 생성하는

것보다 서비스를 약간 더 빨리 받을 있다 응용 프로그램에서 쓰레드의 수는 풀의 사이즈에 종속되게 한다



쓰레드 별 데이터 프로세스에 속한 쓰레드는 프로세스와 데이터를 공유한다

어떤 상황에서 , 각 쓰레드는 자기 자신만의 데이터가 필요할 수도 있다

각 쓰레드는 자기 자신만의 데이터 복사본을 갖도록 한다

쓰레드 생성 과정에 대한 제어권이 없을 때 유용하다 ( 예 , 쓰레드 풀을 사용할 때 )

대부분 쓰레드 라이브러리 (Win32, Pthread, Java) 는 쓰레드 별 데이터를 지원하기 위한 형식을 제공한다



스케줄러 활성화 다 - 대 - 다 모델과 두 단계 모델 모두 응용에 할당된 커널

쓰레드의 수를 적당히 유지하기 위한 통신을 필요로 한다

스케줄러 활성화는 upcalls 을 제공한다 , upcalls 은 커널에서부터 쓰레드 라이브러리로 통신하는 방법이다

이 통신은 응용 프로그램이 올바른 커널 쓰레드의 수를 유지하는 것을 가능케 한다



Pthreads 쓰레드 생성과 동기화를 위한 POSIX 표준 (IEEE

1003.1c) API API 는 쓰레드 라이브러리의 행동을 명세한다 구현은 라이브러리 개발에 달려 있다

유닉스 운영 체제 시스템에서 일반적 ( 솔라리스 , 리눅스 , 맥 OS X)



윈도우 XP 쓰레드 일 - 대 - 일 매핑으로 구현된다 각 쓰레드는 아래 정보를 포함한다

하나의 쓰레드 id 레지스터 집합 개별 사용자 / 커널 스택들 개인 데이터 저장 구역

레지스터 집합 , 스택 , 개인 저장 구역은 쓰레드의 내용(context) 라고 알려졌다

쓰레드의 기본 데이터 구조는 다음을 포함한다 : ETHREAD ( 운영 쓰레드 블록 ) KTHREAD ( 커널 쓰레드 블록 ) TEB (thread environment block: 쓰레드 환경 블록 )



리눅스 쓰레드 리눅스는 쓰레드 (threads) 라기 보다는 작업 (tasks) 으로

간주한다

쓰레드 생성은 clone() 시스템 호출에 의해 이루어진다

clone() 은 자식 작업이 부모 작업 ( 프로세스 ) 와 주소 공간을 공유하는 것을 가능케 한다



자바 쓰레드 자바 쓰레드는 JVM(Java Virtual Machine: 자바 가상

기계 ) 에 의해 관리된다

자바 쓰레드는 다음에 의해 생성될 수 있다 : 쓰레드 클래스 확장 (Extending Thread class) 실행 가능한 인터페이스 구현 (Implementing the Runnable

interface)

JVM 은 주인 운영체제 (host OS) 상에서 실행되기 때문에 , 자바 쓰레드 API 는 전형적으로 주인 시스템에서 실행가능한 쓰레드 라이브러리를 사용하여 구현된다 윈도우 시스템 : Win32 쓰레드 라이브러리를 사용하여 리눅스 , 유닉스 시스템 : Pthread 라이브러리를 사용하여



요약 쓰레드는 프로세스 내의 제어 흐름이다

다중 쓰레드 프로세스는 같은 주소 공간 내에 여러 다른 제어 흐름을 포함한다

다중 쓰레딩의 장점 향상된 반응성 , 프로세스 내의 자원 공유 경제성 , 다중 프로세서 구조를 이용할 수 있는 가능성

사용자 레벨 쓰레드는 프로그래머에게는 보이고 , 커널에게는 알려지지 않은 쓰레드 이다

운영체제 커널은 커널 레벨 쓰레드를 지원하고 관리한다 사용자 쓰레드와 커널 쓰레드 관계의 세가지 유형의 모델

일 - 대 - 일 (One-to-one), 다 - 대 - 일 (many-to-one), 다 - 대 - 다 (many-to-many)

쓰레드 라이브러리는 응용 프로그래머에게 쓰레드를 생성하고 관리하는 API 를 제공한다 POSIX Pthreads, Win32 쓰레드 , Java 쓰레드

다중 쓰레드 프로그램은 다음과 같은 여러 주요 고려사항들을 포함한다 fork()/exec(), 쓰레드 취소 , 신호 처리 , 쓰레드 풀 , 쓰레드 별 데이터

4 장 : 다중 쓰레드 프로그래밍

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