오퍼레이팅 시스템 [9] - Thread와 동기화

in STUDY LOG / OS

‘Thread 개념의 등장과 이에따른 동기화의 필요성’

Process 와 Thread

  • Process : 실행중인 프로그램
    • 자원소유의 단위
    • Scheduling(실행) 단위

우리는 지금까지 Process가 하나의 실행 sequence만 있다고 가정해왔다.

  • Example) Busy Web server에서 Multithread가 등장한 배경

    Traditional Single-Threaded Process : 한번에 한명의 고객만 담당가능

    -> Multi-processing solution : 고객이 많아져 프로세스가 많아지자 생성, context-switching, 프로세스간 통신에 드는 Overhead 증가

    -> Multi-Threading solution : Overhead가 적은 Multithread 등장

Multithreading

  • 모든 현대 OS는 하나의 Process에 다중의 Thread를 제공한다.
    단일 프로세스 내부에서도 실행단위로 Thread(lightweight Process)로 나뉜다.
  • Concurrent(동시성, 병행성)한 다중의 실행단위로 나뉘는 것.

Single Thread와 Multi Thread

  • 이때 같은 Process이므로 Thread는 같은 Code, Data, Files 등 자원을 공유한다. 하지만 같이 실행되지는 않는다.

Concurrency

  • Multithreaded Process는 Overhead가 더 발생하는 다중 Process의 실행없이도 Concurrency(동시성)를 가능하게했다.
    1. Interleaving기법
      하나의 CORE로 여러 Thread를 번갈아가며 실행하여 병렬적으로 처리되는것과 같은 효과를 내는것. Concurrent하지만 Parallel하지는 않다.
    2. Overlapping기법
      여러개의 CORE로 동시에 여러 Thread를 병렬처리한다. Conccurent, Parallel하다.

Uniprocessor에서의 Multithreading 예시

  • 위 예시에서 Thread A의 Time quantum이 종료된후에 Thread B,C가 모두 준비된상태임에도 Thread C가 실행된것은 Scheduling방법에 따른것이다.

  • Multithreading의 장점

    1. 새로운 프로세스를 만드는것이 아니므로 새로운 PCB전체를 만들 필요가 없다.
    2. 프로세스보다 Thread간 Switch가 더 빠르다.
    3. Thread간 자원을 공유한다.
      • 프로세스간 상호작용은 자원 보호를 위해 Kernel영역에서 이루어져야하는 반면, Thread는 같은 메모리를 사용하므로 User레벨에서 가능하다.
      • Cache의 오염이 덜하다.
    4. Single-Core 보다 Multi-Core에서 더 큰 장점을 갖는다.
      • 하나의 프로세스가 여러 Thread로 이루어져 있으므로, 하나의 프로세스가 다중 CPU에서 실행될 수 있다.

Multicore 환경에서의 Multithreading

  • 많은 시스템에서 사용되는 Multicore, Multithread 시스템은 무조건적으로 Thread가 많다고 성능이 좋아지진않는다.
  • 아래는 행렬곱셈과 Fast Fourier transform 를 처리할때 Thread개수에 따른 성능을 계산한 그래프이다.

16 processor 환경에서의 thread 개수에 따른 성능

  • 2개의 프로세스(행렬곱, FFT)가 실행되고 있으므로 프로세스당 8개의 Thread로 나뉘어져 총 8*2=16개의 Thread가 모든 프로세서를 활용하고 있을때 가장 효율이 높다.

  • 그 이상은 Overhead(switch, rescheduling, preemption, cache오염 등)으로 인해 효율이 떨어진다.

Multithread Model

  • Thread들은 같은 자원을 공유하지만, Memory상에 Execution Stack을 각자 갖고있다. (User, Kernel stack)

  • TCB(Thread Control Block)
    각 Thread가 갖고있는 레지스터값, Scheduling 정보 현재 State등을 저장하는 역할로 PCB와 비슷하다.
  • 새로운 Proecss를 생성할때는(fork()) PCB부터 DATA, Stack, CODE등 모든 메모리영역을 할당해 줘야하지만, 새로운 Thread를 생성할때는(pthread_create()) Stack과 TCB만 만들어주면 된다. 비용감소!
  • Thread는 2가지의 카테고리로 나눌수 있다.

ULT와 KLT

ULTs

User Level Thread

  • 모든 Thread 관리가 유저 프로그램 즉, Application에서 이루어진다.
    • User Space에 존재하는 Thread library에 의해 Thread가 만들어진다.
    • Thread library에는 Thread 생성, 삭제와 Thread간 소통과 Data공유 등의 코드가 들어있다.
  • Thread Switch가 User Space에서 이루어진다
    • Thread Library에 의해 Schedule, TCB저장, 불러오기가 이루어진다.
    • Kernel은 개입하지않는다!
  • 장점
    1. Mode Switch없이 Thread Switch가 가능하다.
    2. 어떤 OS에서도 적용가능하다.
  • 단점
    1. MultiCore 확장성이 없다. : OS는 하나의 프로세스로만 생각하므로 Thread를 코어에 각각 부여하지 못한다.
    2. 병렬처리가 불가능하다. : 커널이 하나의 Thread만 Schedule 가능하므로
    3. 하나의 Thread만 Block(System call)되면, 전체 Thread가 Block된다.

KLTs

Kernel Level Thread

  • 모든 Thread관리가 Kernel 영역에서 이루어진다.

  • 유저프로그램에서는 어떤 Thread 관리도 불가능함

  • 장점
    1. 코어당 하나의 Thread를 할당할 수 있어 Parallel하게 실행가능하다.
    2. 하나의 Thread가 Block되어도 다른 Thread는 실행가능하다.
  • 단점
    1. Thread Switch를 위해서는 Mode Switch가 필수적이다. -> Overhead증가
  • Combined ULT/KLT
    • 두 모드를 같이 사용하여 각각의 문제점을 보완한다.
    • 하지만 구현 복잡도가 매우 증가한다.

Thread 동기화

  • Thread의 자원을 공유하는 특성으로 인해 같은 자원에 동시에 접근하게 되는 Race Condition등의 문제가 발생한다.
  • Synchoronization(동기화) : 다수의 Thread가 공유자원사용 혹은 실행될때 잘못된 결과가 나오지않게 조정하는 것.