다중 스레드 프로그래밍 (Multi-Thread Program- ming)

(1)

운영체제 (Operating Systems)

다중 스레드 프로그래밍

(Multi-Thread Program- ming)

문양세

강원대학교 IT 대학 컴퓨터공학과

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Operating Systems by Yang-Sae Moon Page 2

강의 목표

스레드 개념을 이해하고 , 다중 스레드 프로그래밍의 효과를 이해한다 .

CPU 이용의 기본 단위로서 스레드를 이해하고 학습한다 .

다중 스레드 프로그래밍과 관련된 여러 이슈를 검토한다 .

Pthreads API 및 Win32, Java 스레드 라이브러리를 학습한다 .

다중 스레드 프로그래밍

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강의 목차

스레드 개요

다중 스레드 모델 스레드 라이브러리 스레드 관련 이슈

스레드 지원 운영체제 사례 요약

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스레드 (Threads) 란 ?

프로세스 내의 제어 흐름 (a flow of control within a process)

제 3 장에서 공부한 프로세스는 단일 스레드 프로세스로 볼 수 있다 .

다중 스레드 프로세스에서는 하나의 프로세스 내에 여러 제어 (control) 가 존재한다 .

스레드는 CPU 이용의 기본 단위로서 아래 정보들로 구성된다 .

스레드 ID, 프로그램 카운터 , 레지스터 집합 , 스택 등

동일 프로세스의 여러 스레드는 코드 영역 , 데이터 영역 , 운영체제 자 원 ( 예 : 열린 파일 , 시그널 ) 을 공유한다 .

프로세스가 다수의 제어 스레드를 가진다면 , 프로세스는 동시에 하나 이 상의 작업을 실행할 수 있다 .

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단일 vs 다중 스레드 프로세스

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다중 스레드 프로그램 (1/2)

현대 운영체제의 대다수 소프트웨어 패키지는 다중 스레드를 지원한다 .

웹 브라우저의 스레드 이용 예

이미지와 텍스트를 표시 (display) 하는 스레드 1 개

네트워크로부터 데이터를 읽어는 스레드 1 개

워드 프로세서의 스레드 이용 예

그래프를 표시 (display) 하는 스레드 1 개

사용자의 키 스트로크에 응답하는 스레드 1 개

스펠링 , 문법 검사를 수행하는 스레드 1 개

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웹 서버

단일 스레드 웹 서버 : 한 클라이언트 요청에 대한 서비스를 완료할 때까지 다른 클라이 언트 요청에 대한 서비스를 기다려야 한다 .

다중 프로세스 웹 서버 : 스레드가 일반화되기 전에 사용되었으며 , 새로운 프로세스를 생성하여 추가적인 클라이언트 요청을 처리한다 .  프로세스 생성 오버헤드 발생

다중 스레드 웹 서버 : 프로세스에 비해 오버헤드가 작은 스레드를 생성하여 여러 클라이 언트에 대해 동시에 서비스한다 .

많은 운영체제 커널들이 현재 다중 스레드 기반이다 .

여러 스레드들이 커널 내에서 동작한다 .

각 스레드는 장치를 관리하거나 인터럽트를 처리하는 등 특정 작업을 수행한다 .

다중 스레드 프로그램 (2/2)

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다중 스레드화 된 서버 구조

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다중 스레드 프로그램의 장점

반응성 (responsiveness)

상호작용 응용의 다중 스레딩은 하나의 스레드가 일시 봉쇄 (blocking) 되어도 다른 스레 드는 수행을 계속하게 한다 .  사용자 응답성 증가

자원공유 (resource sharing)

하나의 프로세스에 속한 여러 스레드는 메모리 등의 자원을 공유한다 .

경제성 (economy)

한 프로세스 내의 스레드는 자원을 공유하기 때문에 생성과 문맥 전환 (context-switch) 을 수행함에 있어 프로세스에 비해 훨씬 경제적이다 .

솔라리스의 경우 , 프로세스 생성은 30배 , 문맥 전환은 5 배 더 경제적이다 .

확장성 (scalability) - 다중 프로세서 구조의 활용

다중 프로세서 ( 다중 코어 ) 시스템에서 스레드는 서로 다른 프로세서 ( 코어 ) 에서 병렬

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다중 코어 프로그래밍 (Multi-Core Programming)

다중 스레드 프로그래밍은 다중 코어를 더 효율적으로 사용할 수 있고 , 병행성 (parallelism) 을 더 향상시킬 수 있다 .

다중 코어 시스템은 운영체제 등 시스템 개발자뿐 아니라 응용 프로그램 개발자의 프로그래밍 기법 변화도 요구한다 .

단일 코어 시스템에서의 병행 실행

다중 코어 시스템에서의 병행 실행

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다중 코어 시스템의 효율성 극대화 이슈

작업 나누기 (dividing activities): 응용이 여러 코어에서 병렬적으로 수 행될 수 있도록 병행 가능 태스크로 나누는 작업이 필요하다 .

균형 (balance): 병렬 실행이 가능한 태스크들이 가급적 균등한 기여도 를 가져야 한다 .

데이터 분리 (data splitting): ( 응용을 독립 태스크로 나누는 것 처럼 ) 태스크가 접근 / 변경하는 데이터도 개별 코어에서 수행될 수 있도록 독립 적이어야 한다 .

데이터 종속성 (data dependency): 태스크들이 사용하는 데이터가 종 속적 관계 ( 예 : 하나 작업한 후 다음 작업이 실행 ) 가 없어야 한다 .

시험 및 디버깅 (test & debugging): 병렬 수행은 다양한 실행 경로를 만든다 .  다중 스레드 프로그램을 시험 / 디버깅하는 환경 등이 필요하

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강의 목차

스레드 개요

다중 스레드 모델 스레드 라이브러리 스레드 관련 이슈

스레드 지원 운영체제 사례 요약

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스레드의 두 가지 유형

사용자 스레드 (user thread) vs 커널 스레드 (kernel thread)

사용자 스레드는 사용자 수준 (user level) 에서 , 커널 스레드는 커널 수 준 (kernel level) 에서 지원된다 .

운영체제 커널은 커널 수준에서 스레드를 지원하고 관리한다 .

사용자 스레드는 프로그래머에게는 보이나 커널에게는 알려지지 않는 스레드이다 .

일반적으로 사용자 스레드는 커널 스레드보다 더 빨리 생성하고 관리할 수 있다 . 왜냐하면 커널의 개입이 필요하지 않기 때문이다 .

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사용자 스레드 (User Threads)

스레드 관리는 사용자 레벨 스레드 라이브러리에 의해 이루어진다 .

사용자 스레드는 커널 위 (above) 에서 동작하므로 , 커널의 지원 없이 관리된다 .

세 가지 기본 스레드 라이브러리

POSIX Pthreads

Win32 threads

Java threads

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커널 스레드 (Kernel Threads)

커널 스레드는 운영체제 커널에 의해 직업 지원받고 관리된다 . 커널 스레드 예제

Windows XP/2000

Solaris

Linux

Tru64 UNIX

Mac OS X

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User- vs Kernel-Level Threads

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다중 스레드 모델 (Multithreading Models)

사용자 스레드들와 커널 스레드들 사이의 관계

다대일 (Many-to-One) 모델 일대일 (One-to-One) 모델 다대다 (Many-to-Many) 모델

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다대일 (Many-to-One) 모델

여러 사용자 스레드들이 하나의 커널 스레드에 매핑된다 .

스레드 관리는 사용자 공간의 스레드 라이브러리에 의해 이루어진다 .

사용자가 원하는 만큼의 많은 사용자 스레드를 생성할 수 있으므로 효율적이다 .

하나의 스레드가 봉쇄형 (blocking) 시스템 호출을 할 경우 , 전체 프로세스가 봉쇄된 다 .

한 번에 하나의 스레드만이 커널에 접근할 수 있기 때문에 , 다중 스레드가 다중 프로세 서에서 돌아도 병렬로 작동할 수 없다 .

다대일 모델 예제

솔라리스 스레드 라이브러리

GNU Portable 스레드

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일대일 (One-to-One) 모델

하나의 사용자 스레드는 하나의 커널 스레드에 매핑된다 .

다대일 모델보다 더 많은 병렬성을 제공한다 .

하나의 스레드가 봉쇄되더라도 다른 스레드들은 계속 수행될 수 있다 .

다중 처리기 ( 혹은 다중 코어 )에서 다중 스레드가 병렬적으로 수행되도록 한다 .

사용자 스레드 생성은 대응하는 커널 스레드를 생성을 필요로 한다 .  오버헤드

하나의 프로세스가 생성할 수 있는 쓰레드 수는 다대일 모델보다 더 적다 .

 너무 많은 스레드를 생성하지 않도록 주의해야 한다 .

일대일 모델 예제

Windows NT/XP/2000

Linux

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다대다 (Many-to-Many) 모델

여러 사용자 스레드가 여러 커널 스레드와 매핑된다 .

정확히는 여러 사용자 스레드들이 그 보다 더 적은 수의 커널 스레드와 매핑된다 .

운영체제가 충분한 수의 커널 스레드를 생성하도록 한다 .

응용은 원하는 수 만큼의 사용자 스레드들을 생성하고 이들에 대응하는 커널 스레드들이 다중 처리기에서 병렬로 수행될 수 있다 .

다대일과 일대일의 장점을 취한 접근법

다대다 모델의 예제

Solaris 9 이전 버전

ThreadFiber 패키지를 가진 Windows NT/2000

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다대다 모델의 변형인 두 단계 모델 - SKIP

다대다 모델의 여러 변형 중 대표적인 방법

다대다 모델과 기본적으로 유사함

여러 사용자 스레드들이 같은 수 혹은 그 보다 적은 수의 커널 스레드로 다중화된다 .

그런데 , 하나의 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드에 종속되는 것도 허용한다 .

 즉 , 다대다 모델을 기반으로 하되 , 일대일 모델의 기능을 지원한다 .

두 단계 모델의 예제

IRIX

HP-UX

Tru64 UNIX

Solaris 8과 그 이전 버전들

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스레드의 조금 복잡한 매핑 예제

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강의 목차

스레드 개요

다중 스레드 모델 스레드 라이브러리 스레드 관련 이슈

스레드 지원 운영체제 사례 요약

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스레드 라이브러리

스레드 라이브러리는 프로그래머가 스레드를 생성하고 관리할 수 있는 API 를 제공한다 .

스레드 라이브러리 구현의 두 가지 방법

커널의 지원 없이 사용자 공간에서 스레드 기능을 제공한다 .

라이브러리를 위한 모든 코드와 데이터 구조는 사용자 공간에 존재한다 .

모든 함수 호출은 커널 모드가 아닌 사용자 모드에서 실행된다 .

운영체제의 지원을 받는 커널 레벨 라이브러리를 구현한다 .

모든 코드와 데이터 구조는 커널 공간에 존재한다 .

함수 호출은 커널의 시스템 호출을 야기한다 .

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주요 라이브러리 – POSIX Pthreads

스레드 생성 / 동기화에 대한 POSIX 표준 (IEEE 1003.1c) API 를 제공 한다 .

스레드 동작에 대한 API 명세를 제공할 뿐이며 , 이의 구현은 각 운영체 제에 따라 다르게 구현될 수 있다 .

솔라리스 , Linux, Mac OS X 등 UNIX 운영체제에서 공통 지원한다 . 사용자 레벨 혹은 커널 레벨 라이브러리를 제공한다 .

스레드 예제 프로그램

��= ∑

�=1

�



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POSIX Pthreads 프로그램 예제

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주요 라이브러리 – Win32 Threads

API 와 동작 절차가 기본적으로 Pthreads 와 유사하다 .

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주요 라이브러리 – Java Threads

자바 스레드는 JVM 에 의해 관리된다 .

전형적으로 JVM 이 구동되는 운영체제에 의해 스레드 모델이 구현된다 .

 즉 , 운영체제에 따라 스레드 모델이 달리 구현된다 . 자바 스레드는 다음 두 방법에 의해 생성될 수 있다 .

Thread class 를 상속 (extends) 한다 .



Runnable interface

를 구현 (implements) 한다 .  보다 보편적으로 사 용된다 .

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Java 스레드 예제

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강의 목차

스레드 개요

다중 스레드 모델 스레드 라이브러리 스레드 관련 이슈

스레드 지원 운영체제 사례 요약

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스레드 관련 주요 이슈

fork() 와 exec() 시스템 호출 스레드 취소 (cancellation) 시그널 처리 (signal handling) 스레드 풀 (thread pools)

스레드별 데이터 (thread-specific data) 스케줄러 활성화 (scheduler activation)

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fork() & exec() 시스템 호출

다중 스레드 프로그램에서 프로세스를 복제 / 생성하는 fork() 시스템 호 출을 실행한다면 ?

새로운 프로세스는 모든 스레드를 복제해야 하는가 ?

아니면 한 개의 메인 스레드만 가지는 프로세스여야 하는가 ?

몇몇 Unix 시스템에서는 두 가지 버전을 모두 지원한다 .

exec() 시스템 호출은 어떠한가 ?

기존 스레드들을 모두 무시하고 , 새로운 프로그램으로 대체된다 .

fork() & exec() 를 함께 고려한다면 ,

fork() 이후 exec() 가 호출된다면, 모든 스레드를 복제할 이유가 없다 .

fork() 이후 exec() 가 호출되지 않는다면, 모든 스레드의 복제가 의미가 있다 .

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스레드 취소 (Thread Cancellation) (1/2)

스레드가 끝나기 전에 다른 스레드에 의해 종료되는 것을 의미한다 .

예제 1: 여러 스레드가 데이터베이스를 검색하다 , 한 스레드가 원하는 결과를 찾았다면 나머지 스레드들은 취소된다 .

예제 2: 웹 브라우저가 페이지를 적재 (loading) 하는 도중에 사용자가 stop 버튼을 눌 렀다면 관련 스레드들이 취소된다 .

취소되어야 할 스레드를 목적 스레드 (target thread) 라 부르며 , 이를 취소하는 두 가지 방법이 있다 .

비동기 취소 (asynchronous cancellation): 한 스레드가 즉시 목적 스레드를 강제로 종료시킨다 .

지연 취소 (deferred cancellation): 목적 스레드는 주기적으로 자신이 강제 종료가 되 어야 할지 점검한다 .

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스레드 취소 (Thread Cancellation) (2/2)

스레드 취소가 어려운 점은 취소 스레드들에 할당된 자원 문제이다 .

비동기 취소 (asynchronous cancellation)

상황에 따라 할당된 자원을 모두 회수할 수도 , 그렇지 못할 수도 있다 .

자원이 회수되지 않으면 이후 시스템 자원을 모두 활용치 못하는 문제가 발생한다 .

지연 취소 (deferred cancellation)

취소하고자 하는 스레드는 목적 스레드가 취소 예정이라 표시 ( 플래그 )한다 .

목적 스레드는 플래그를 보고 자원을 반환한 후 안전하게 취소할 수 있다 .

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시그널 처리 (Signal Handling) (1/2)

시그널 (signal) 은 Unix/Linux 에서 프로세스에게 어떤 사건이 일어났 음을 알리기 위해 사용된다 .

시그널의 두 가지 유형

동기식 시그널 (synchronous signal): 어떤 사건을 처리하기 위해 발생한다 . ( 예 : 불법적인 메모리 접근 , 0 으로 나누기 )

비동기식 시스널 (asynchronous signal): 임의 시점에 발생한다 . ( 예 : 인터럽트 (cntl-C), 타이머 만료 )

동기식이든 비동기식이든 시그널은 다음과 같이 전달된다 .

시그널은 특정 사건이 일어나야 생성된다 .

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시그널 처리 (Signal Handling) (2/2)

모든 시그널은 둘 중 하나의 처리기 (handler) 에 의해 처리된다 .

디폴트 시그널 처리기: 시그널마다 기본적인 처리 방법을 정의해 놓는다 .

사용자 정의 시그널 처리기 : 사용자가 시그널 처리 방법을 정의할 수 있다 .

단일 스레드 프로그램에서 시그널은 프로세스 레벨에서 처리된다 .

시그널을 받으면 , 프로세스 수행을 잠시 중단한 후 , 시그널 처리기에서 해당 시그널을 처리한 후 다시 프로세스 수행을 재개한다 .

다중 스레드 프로그램에서 시그널 처리는 다소 복잡하며 , 다음의 선택이 가능하다 .

시그널이 적용될 스레드에게 전달한다 . ( 어떤 스레드가 시그널 처리기를 등록한 경우 )

모든 스레드에 전달한다 .

몇몇 스레드에게만 선택적으로 전달한다 .

특정 스레드가 모든 신호를 전달받도록 지정한다 .

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스레드 풀 (Thread Pools)

필요할 때 마다 새롭게 스레드를 생성하는 것은 큰 오버헤드이다 .

 이를 해결하는 한 옵션이 스레드 풀의 사용이다 .

스레드 풀 : 작업을 기다리는 스레드들의 집합

프로세스는 시작 시에 일정 수의 스레드를 생성하여 스레드 풀에 놓는다 .

요청을 받으면 , 서버는 풀로부터 스레드를 깨워서 요청을 서비스에게 전달한다 .

스레드가 서비스를 끝내면 , 다시 풀로 반환되고 다음 작업을 기다린다 .

만약 풀에 더 이상 가용 스레드가 없다면 , 서버는 가용 스레드가 생길 때까지 기다린다 .

스레드 풀의 장점

일반적으로 , 이미 존재하는 스레드에 요청하는 것이 새로운 쓰레드를 생성하는 것보다

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스레드별 데이터 (Thread-Specific Data)

프로세스에 속한 스레드들은 서로 데이터를 공유한다 .

 어떤 상황에서 , 각 스레드는 자신만의 데이터가 필요할 수도 있다 !

각 스레드가 자기 자신만의 데이터 영역을 갖도록 하는 방법이다 .

예 : 트랜잭션 처리 시스템에서 각 스레드는 독립된 트랜잭션을 수행한다 .

대부분의 스레드 라이브러리 (Win32, Pthreads, Java) 는 스레드 별 데이터를 지원하는 방법을 제공한다 .

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강의 목차

스레드 개요

다중 스레드 모델 스레드 라이브러리 스레드 관련 이슈

스레드 지원 운영체제 사례 요약

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Windows XP 스레드

기본적으로 일대일 매핑으로 구현된다 .

fiber 라이브러리를 사용하면 다대다 기능도 제공한다 .

각 스레드가 포함하는 정보

각 스레드를 유일하게 식별하는 스레드 ID

처리기의 상태를 나타내는 레지스터 집합

사용자 모드 실행을 위한 사용자 스택 , 커널 모드 실행을 위한 커널 스택

개인 데이터 저장 영역

스레드의 기본 데이터 구조가 포함하는 정보

ETHREAD: 실행 스레드 블록 (executive thread block)

KTHREAD: 커널 쓰레드 블록 (kernel thread block)

TEB: 스레드 환경 블록 (thread environment block)

스레드의 문맥 (context)

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Windows XP 스레드의 자료 구조

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리눅스 스레드 (Linux Threads)

리눅스는 스레드 (threads) 라기 보다는 태스크 (tasks) 으로 간주한다 .

사실 리눅스는 프로세스와 스레드를 구분하지 않는다.

스레드 생성은 clone() 시스템 호출에 의해 이루어진다

clone() 은 자식 태스크가 부모 태스크 ( 프로세스 ) 와 주소 공간을 공유 하는 것을 가능케 한다 . 공유 정도는 플래그에 의해 제어된다 .

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강의 목차

스레드 개요

다중 스레드 모델 스레드 라이브러리 스레드 관련 이슈

스레드 지원 운영체제 사례 요약

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요약 (1/2)

스레드는 프로세스 내의 제어 흐름이다 .

다중 스레드 프로세스는 같은 주소 공간 내에 여러 다른 제어 흐름을 포함한다 .

다중 스레딩 (multithreading) 의 장점

향상된 반응성, 프로세스 내의 자원 공유

경제성, 다중 프로세서 구조를 이용한 확장성

사용자 레벨 스레드는 프로그래머에게는 보이고 , 커널에게는 알려지지 않은 스레드이다 .

운영체제 커널은 커널 레벨 스레드를 지원하고 관리한다 .

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요약 (2/2)

사용자 스레드와 커널 스레드 관계의 세 가지 모델

일대일 (one-to-one) 모델

다대일 (many-to-one) 모델

다대다 (many-to-many) 모델 ( 변형 : 두 단계 모델 )

스레드 라이브러리는 응용 프로그래머에게 스레드를 생성하고 관리하는 API 를 제공한다 .

POSIX Pthreads, Win32 스레드 , Java 스레드

다중 스레드 프로그램의 주요 고려사항

fork() 와 exec() 시스템 호출  스레드 취소 (cancellation)

다중 스레드 프로그래밍 (Multi-Thread Program- ming)

운영체제 (Operating Systems)