CSAPP 12-12.3

CSAPP

12. 동시성 프로그램

• 논리적 제어흐름은 이들이 시간적으로 중첩되면 동시적이다. 이와 같은 현상을 동시성이라고 한다.
• 응용수준 동시성은 다양한 경우 유용하다.
  • 느린 I/O 디바이스 접근하기 : 응용프로그램은 유용한 작업을 I/O요청과 겹치게 한다.
  • 사람들과 상호 작용하기 : 사용자가 어떤 동작을 요청할 때 마다, 이 동작을 수행하기 위해 별도의 동시성의 논리 흐름이 생성된다.
  • 작업을 지연시켜서 시간지연 줄이기 : 다른 동작을 지연시키고 이들을 동시에 수행해서 특정 독작의 시간 지연을 축소하기 위해 동시성을 이용한다
  • 다수의 네트워크 클라이언트 처리 : 클라이언트마다 별도의 논리흐름을 생성하는 동시성 서버
  • 멀티코어 머신에서 병렬로 계산하기
• 동시성 프로그램을 만들기 위한 세 개의 기본 접근방법
  • 프로세스 : 각 논리적 흐름은 커널이 스케줄하고 관리하는 프로세스이다. 프로세스가 별도의 가상 주소공간을 가지기 때문에, 서로 통신하기를 원하는 흐름들은 모종의 명시적 프로세스간 통신(IPC : interprocess Communication)메커니즘을 사용해야 한다.
  • I/O 다중화 : 동시성 프로그램의 한 형태로, 응용들은 명시적으로 자신의 논리흐름을 한 개의 프로세스 컨텍스트 내에서 스케줄한다. 논리적 흐름들은 파일 식별자에 도착하는 데이터로 인해 메인 프로그램이 명시적으로 하나의 상태에서 다른 상태로 전환하는 상태머신으로 모델할 수 있다. 프로그램이 한 개의 프로세스이므로 모든 흐름들은 동일한 주소공간을 공유한다.
  • 쓰레드 : 쓰레드는 한 개의 프로세스 컨텍스트에서 돌아가는 논리흐름으로 커널에 의해 스케줄된다. 쓰레드를 다른 두 개의 방식의 하이브리드 형태로 생각할 수 있다. 커널에 의해 스케줄되며 동일한 가상 주소공간을 공유한다.

12.1 프로세스를 사용한 동시성 프로그래밍

• 동시성 프로그램을 만드는 가장 간단한 방법
  • ex) 동시성 서버를 구현하는 방법은 부모에서 클라이언트 연결 요청을 수락하는 것이며, 그 후에 새로운 자식 프로세스를 생성해서 새로운 각각의 클라이언트를 서비스한다.

12.1.1 프로세스 기반 동시성 서버

• 서버를 만드는 데 중요한 몇 가지 사항이 있다.
  • 첫째, 서버들은 대개 장시간 동안 돌아가므로 좀비 자식을 청소하는 SIGCHLD핸들러를 포함 해야한다.
  • 둘째, 부모와 자식은 자신의 connfd사본을 닫아야 한다.
  • 마지막으로, 소켓의 파일 테이블 엔트리 내의 참조 횟수 때문에 클라이언트로의 연결은 부모와 자식의 connfd 사본이 모두 닫힐 때 까지 종료되지 않는다.

12.1.2 프로세스의 장단점

• 프로세스는 부모와 자식 사이에 상태 정보를 공유하는 것에 대해서 깔끔한 모델을 가지고 있다.
  • 파일은 공유되고 사용자 주소공간은 공유되지 않는다.
• 프로세스들이 분리된 주소공간을 가지는것은 장점이자 단점이다. 한 개의 프로세스가 우연히 다른 프로세스의 가상메모리에 쓰는 것은 불가능하며, 이로 인해서 많은 혼란스러운 오류들을 제거할 수 있다.
• 반면에 별도의 주소공간은 프로세스가 상태정보를 공유하는 것을 어렵게 한다. 정보를 공유하기 위해서 명시적인 IPC 메커니즘을 사용해야 한다. 그리고 프로세스 제어와 IPC의 오버헤드가 크기 때문에 더 느려지는 경향이 있다.

12.2 I/O 다중화를 이용한 동시성 프로그래밍

• 기본 아이디어는 select 함수를 사용해서 커널에게 이 프로세스를 정지할 것을 요구해서 한 개 이상의 I/O 이벤트가 발생한 후에만 응용에게 제어를 돌려준다.

12.2.1 I/O 다중화에 기초한 동시성 이벤트 기반서버

• I/O 다중화는 동시성 이벤트 기반 프로그램을 위한 기초과정으로 사용될 수 있으며, 이 경우 흐름들은 특정 이벤트의 결과로 진행된다. 일반적인 아이디어는 논리 흐름을 상태머신으로 모델링 하는 것이다. 비공식적으로 상태 머신은 상태, 입력 이벤트, 상태와 입력이벤트를 상태로 매핑하는 전환의 집합이다. 각각의 전환은 한 개(입력상태, 입력 이벤트)의 쌍을 한 개의 출력 상태로 매핑한다. 자체 - 루프는 동일한 입력과 출력 상태 사이의 전환이다. 상태 머신들은 대개 방향성 그래프로 그리며, 이 경우 노드들은 상태를, 화살표는 전환을, 호의 이름은 입력 이벤트를 나타낸다. 상태머신은 초기 상태에서 실행을 시작한다. 각각의 입력 이벤트는 현재 상태에서 다음 상태로의 전환을 유발한다.

12.2.2 I/O 다중화의 장단점

• 한 가지 장점은 이벤트기반 설계로 프로그래머가 프로세스 기반 설계보다 자신의 프로그램을 더 잘 제어할 수 있다는 점이다.
• 또 다른 장점은 I/O 다중화에 기초한 이벤트 기반 서버는 단일 프로세스의 컨텍스트에서 돌아가며, 그래서 모든 논리흐름은 프로세스의 전체 주소공간에 접근할 수 있다. 이 흐름들 간에 데이터 공유를 쉽게 해준다. GDB같은 친숙한 디버깅 도구를 이용해서 순차 프로그램에서 하는 것처럼 동시성 서버를 디버그 할 수 있다.
• 마지막으로 이벤트 기반 설계는 대개 프로세스 기반 설계보다 훨씬 더 효율적이며, 그 이유는 이들이 새로운 흐름을 스케줄하기 위해서 프로세스 문맥 전환을 요구하지 않기 때문이다.
• 이벤트 기반 설계의 한 가지 중요한 단점은 코딩 복잡도다. 프로세스 기반 서버보다 세 배 더 많은 코드를 필요로 한다. 불행히도 동시성의 크기가 감소하면 할수록 복잡성은 증가한다. 크기라는 것은 각 논리흐름이 타임 슬라이스 동안에 각 논리흐름이 실행하는 인스트럭션의 수를 의미한다.
• 또 다른 중요한 단점은 이들이 멀티코어 프로세서를 완전히 활용할 수 없다는 것이다.

12.3 쓰레드를 이용한 동시성 프로그래밍

• 쓰레드는 프로세스의 컨텍스트 내에서 돌아가는 논리흐름이다.
• 쓰레드는 커널에 의해서 자동으로 스케줄된다. 각 쓰레드는 고유의 정수 쓰레드 ID(TID), 스택, 스택 포인터, 프로그램 카운터, 범용레지스터, 조건 코드를 포함하는 자신만의 쓰레드 컨텍스트를 가진다. 한 개의 프로세스에서 돌고 있는 모든 쓰레드는 이 프로세스의 전체 가상주소를 공유한다.

12.3.1 쓰레드 실행모델

• 각 쓰레드는 메인 쓰레드라고 부르는 한 개의 쓰레드로 생명을 시작한다. 어떤 시점에서 메인 쓰레드는 피어(Peer) 쓰레드를 생성하고, 이때부터 두 쓰레드가 동시에 돌아간다. 피어 쓰레드는 제어를 메인 쓰레드로 돌려주기 전에 잠시동안 실행하는 식으로 진행된다.
• 쓰레드의 실행은 일부 중요한 부분에서 프로세스와 다르다. 쓰레드 컨텍스트가 프로세스 컨텍스트보다 훨씬 작기 때문에 쓰레드 문맥전환은 프로세스보다 빠르다. 또 프로세스와는 달리 쓰레드는 경직된 부모 - 자식 계층구조에서 구성되지 않았다. 하나의 프로세스에 연계된 쓰레드들은 피어들의 풀을 구성하고, 쓰레드는 이들과는 독립적으로 다른 쓰레드에 의해서 생성되었다. 메인 쓰레드는 항상 프로세스에서 돌아가는 첫 번째 쓰레드라는 의미에서만 다른 쓰레드와 구별된 피어의 풀에 관한 이 개념의 주요 영향은 쓰레드가 자신의 피어 모드를 죽일 수 있거나 자신의 피어들이 종료하는 것을 기다릴 수 있다는 것이다. 또, 각 피어는 동일한 공유 데이터를 읽고 쓸 수 있다.

12.3.2 POSIX 쓰레드

• POSIX 쓰레드는 C프로그램에서 쓰레드를 조작하는 표준 인터페이스다 pthreads는 데이터를 피어 쓰레드와 안전하게 공유하기 위해서, 시스템 상태의 변화를 피어들에게 알리기 위해 프로그램이 쓰레드를 생성하고, 죽이고, 청소하도록하는 약 60개의 함수를 정의한다.

12.3.6 쓰레드 분리하기

• 언제나 쓰레드는 연결가능 joinable하거나 분리되어detached있다. 연결 가능한 쓰레드는 다른 쓰레드에 의해 청소되고 종료될 수 있다. 자신의 메모리 자원들은 다른 쓰레드에 의해 청소될 때 까지는 반환되지 않는다. 반대로, 분리된 쓰레드는 다른 쓰레드에 의해서 청소되거나 종료 될 수 없다. 자신의 메모리 자원들은 이 쓰레드가 종료할 때 시스템에 의해 자동으로 반환된다.
• 기본적으로 쓰레드는 연결 가능하게 생성된다.