운영체제 20. 병행성 : 개요

20. 병행성 : 개요

• 하나의 쓰레드의 상태는 프로세스의 상태와 매우 유사하다. 쓰레드는 프로그램 카운터와 연산을 위한 레지스터들을 가지고 있다. 만약 두 개의 쓰레드가 하나의 프로세서에서 실행 중이라면 실행하고자 하는 쓰레드는 반드시 문맥교환을 통해 실행중인 쓰레드와 교체 되어야 한다. 프로세스의 쓰레드들의 상태를 저장하기 위해서는 하나 또는 그 이상의 쓰레드 제어블럭(TCB : thread control block)이 필요하다. 프로세스와의 가장 큰 차이는 프로세스의 경우와 달리 쓰레드간의 문맥 교환에서는 주소공간을 그대로 사용한다는 것이다.(사용하고 있던 페이지 테이블을 그대로 사용하면 된다.)
• 쓰레드와 프로세스의 또 다른 차이는 스택에 있다. 고전적 프로세스 주소 공간과 같은 모델(단일 쓰레드 프로세스)에서는 스택이 하나만 존재한다.
• 반면에 멀티 쓰레드 프로세스의 경우에는 각 쓰레드가 독립적으로 실행되며 쓰레드가 실행하기 위해 여러 루틴들을 호출할 수 있다. 주소 공간에는 하나의 스택이 아니라 쓰레드마다 스택이 할당 되어있다. 두 개의 쓰레드를 가지는 멀티 쓰레드 프로세스의 주소 공간은 단일 프로세스의 주소공간과는 다르다.
• 스택에 할당되는 변수들이나 매개변수, 리턴 값, 그리고 그외에 스택에 넣는 것들은 해당 쓰레드의 스택인 쓰레드-로컬 저장소(thread - local storage)에 저장된다.

20.1 왜 쓰레드를 사용하는가?

• 병렬처리(Parallelism)
  • 단일 프로세서에서 실행하는 경우 작업은 간단하다. 각 작업을 하나씩 수행하고 완료하면 된다. 그러나 멀티 프로세서 시스템에서 프로그램을 실행하는 경우 각 프로세서가 작업의 일부분을 수행하게 함으로써 실행속도를 상당히 높일 수 있다. 표준 단일 쓰레드(single-threaded) 프로그램을 멀티 프로세서 상에서 같은 작업을 하는 프로그램으로 변환하는 작업을 병렬화(Parallelization)라고 부르며, CPU마다 하나의 쓰레드를 사용하여 주어진 일을 하는것이 최신 하드웨어 상에서 프로그램을 더 빠르게 실행하게 만드는 자연스럽고 전형적인 방법이다.
• 느린 I/O
  • 느린 I/O로 인해 프로그램 실행이 멈추지 않도록 하기 위해 쓰레드를 사용한다. 다른 종류의 I/O를 수행하는 프로그램을 기다리는 대신 프로그램은 다른 작업을 수행할 수 있다. 다른 작업에는 CPU가 다른 연산을 수행한다거나 심지어 또 다른 입출력 요청등이 포함된다.
  • 쓰레드를 사용하면 진행이 막히는 것을 자연스럽게 피할 수 있다. 여러분의 프로그램 중 하나의 쓰레드가 대기하는 동안, CPU 스케줄러는 다른 쓰레드로 전환 할 수 있고, 이 쓰레드는 준비 상태이며, 유용한 작업을 수행한다. 쓰레딩은 하나의 프로그램 안에서 I/O와 다른 작업이 중첩(overlap)될 수 있게 한다. 이는 여러 프로그램을 대상으로 프로세스를 멀티 프로그래밍(multi programming)하는것과 비슷하다.

20.2 예제 : 쓰레드 생성

• 쓰레드 생성을 생각하는 한 가지 방법은 쓰레드의 생성이 함수를 호출하는 것과 비슷하다고 생각하는 것이다. 함수 호출에서는 함수 실행후에 호출자(caller)에게 리턴하는 반면에 쓰레드의 생성에서는 실행할 명령어들을 갖고있는 새로운 쓰레드가 생성되고, 생성된 쓰레드는 호출자와는 별개로 실행된다. 쓰레드 생성 함수가 리턴되기전에 쓰레드가 실행될 수도 있고, 그보다 이후에 실행 될 수도 있다. 다음에 실행될 쓰레드는 OS 스케줄러에 의해 결정되며, 특정 순간에 어떤 쓰레드가 실행될지 알아내는 것은 어렵다.

20.3 데이터 공유 문제

• 명령어의 실행 순서에 따라 결과가 달라지는 상황을 경쟁조건(race condition)이라고 한다. 컴퓨터의 작동에서 일반적으로 발생하는 결정적 결과와 달리 결과가 어떠할지 알지 못하거나 실행할 때마다 결과가 다른 경우를 비결정적(indeterminate)인 결과라고 부른다.
• 멀티 쓰레드가 같은 코드를 실행할 때 경쟁조건이 발생하기 때문에 이러한 코드 부분을 임계영역 이라고 부른다. 공유변수를 접근하고 하나 이상의 쓰레드에서 동시에 실행되면 안되는 코드를 임계영역이라고 부른다.
• 이러한 코드에서 필요한 것은 상호배재(mutual exclusion)이다. 이 속성은 하나의 쓰레드가 임계영역 내의 코드를 실행중일 때는 다른 쓰레드가 실행할 수 없도록 보장해준다.