- Multi-threaded Process
- Why use Multi-threaded Process?
- Problem and Solution
- Critical section
- Solution
- Review
- 예상 질문
- Reference
이 글의 사진과 내용은 공룡책 과 컴퓨터학부 수업인 운영체제 강의자료를 기반으로 작성했습니다.
Multi-threaded Process
Concurrency(동시성)을 구현하기 전에, 먼저 Thread에 대해 알아보자.
What is Thread?, What is Concurrency?
Thread(스레드)란 하나의 프로세스 안에서 독립적으로 실행될 수 있는 개별 실행 단위(Each execution unit)이다.
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위의 그림처럼 스레드는 단일 실행 프로세스에 대한 새로운 추상화 개념이다.
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프로그램은 이처럼 동시에 다중의 스레드를 사용하여 실행된다.
What is Multi-threaded Process?
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Multi-threaded Process란 하나 이상의 스레드보다 많은 것을 가진 프로세스를 의미한다.-
Context Switching unit이 thread를 의미하며, 각각의 스레드는 자신만의 실행 상태(PC, register, stack)을 가진다. -
그리고 각 스레드의 실행 상태(execution state)는 OS에 의해 관리되는 TCB(Tread Control Block)에 저장된다.
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실행하고 있는 T1에서 다른 T2로 Switching이 발생했을 때,
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T1의 실행 상태는 TCB에 복사(저장)되어야 하고, T2의 실행 상태는 TCB로부터 복원(저장)되어야 한다.
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이때 T1, T2은 주소 공간을 공유한다는 점이다.
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Address Space of Multi-threaded Process
- 프로세스안에 있는 스레드들은 주소공간을 공유하는 특징을 가지고 있다.
- 프로세스는 각자 독립적인 주소 공간을 가지는데 비해 스레드들은 주소공간을 공유한다. 여기서 눈여겨 볼 부분이
Stack이다
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왼쪽 그림에서는 싱글 스레드고, 오른쪽 그림은 멀티 스레드다.
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멀티 스레드의 경우 몇 개의 스레드가 주소 공간을 공유하기 때문에 하나의 주소 공간만을 사용하는 것을 볼 수 있고, 각각의 스레드들은 개별적인 스택 공간을 갖고 있어서 위와 같이 주소 공간에 Stack 부분이 분산되어 있다.
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스레드들은 자신만의 Stack을 가지고 있고 Code, Data, Heap은 공유한다는 점에서 프로세스와 차이점을 지닌다.
Why use Multi-threaded Process?
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Multi-threaded Process(멀티 스레드)란 하나의 프로세스안에 여러 개의 스레드로 구성하여 하나의 스레드가 하나의 작업을 처리하도록 하는 것이다. -
스레드를 사용하는 이유는 크게 2가지다.
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첫 번째는 병렬 처리가 간단하다. 단일 프로세스에서 여러 스레드가 각자 하나의 작업을 처리하기 때문에 시간을 절약할 수 있다. 이렇게 단일 프로세스에서 각각의 스레드들이 여러 CPU에서 실행하는 것을
병렬화라고 하며 이를 구현할 때 스레드를 사용하는 것이 일반적인 방법이다. -
두 번째는 I/O로 인해 프로그램 수행이 차단되는 것을 막기 위해서이다. 다양한 유형의 I/O가 수행하는 프로그램이 있을 때, 프로그램의 자식 스레드가 오류가 나거나 긴 작업으로 인해 중단되었을 때 다른 스레드로 Context Switching하여 수행하면 I/O와 다른 작업들을 함께 수행할 수 있다.
Problem and Solution
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하지만, 이런 스레드에서도 문제점이 존재한다.
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첫 번째는 실행 순서가 OS 스케줄러에 의해 누가 먼저 수행될지를 모른다는 것이다.
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다음 그림을 통해 제대로 이해해보자.
- 여기서 순서를 다음과 같은 경우의 수를 들 수 있다.
[첫 번째 경우의 수]
1. starts running
2. create thread 1
3. create thread 2
4. running thread 1
5. running thread 2
[두 번째 경우의 수]
1. starts running
2. create thread 1
3. running thread 1
4. create thread 2
5. running thread 2
[세 번째 경우의 수]
1. starts running
2. create thread 1
3. create thread 2
4. running thread 2
5. running thread 1
- 이 처럼 스레드는 OS 스케줄러에 의해 결정되므로 누가 먼저 수행될 지 알 수 없다.
Race Condition
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두 번째는 멀티 스레드에서 공유하는 데이터에 동시에 접근할 때(업데이트 할 때) 문제가 발생한다.
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다음 그림을 통해 제대로 이해해보자.
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여기서
counter는 data 영역(전역 변수)라고 가정한다. -
왼쪽은 예상된 결과인 counter 값이 12로 나오고, 오른쪽은 예상치 못한 결과인 counter 값이 11로 나오는 것을 확인할 수 있다.
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오른쪽에서 2번째 순서인
tmp = tmp + 1를 끝나고 갑자기 Context Switching이 발생했을 때, 2번에서 counter 값이 업데이트 되지 않았기 때문에 3번에서 counter = 10으로 다시 시작된다. -
그래서 4-5번을 거쳐 counter = 11로 끝나고 다시 Tread1로 넘어오면서 counter = 11 로 끝나는 결과를 보여준다.
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이렇게 전역 변수와 같이 스레드에서 공유하는 데이터에 접근하는 상황을 Race condition(경쟁 상태)라고 하며,
여기서 전역 변수와 같은 공유되는 값을 Critical section(임계 영역)이라고 하며 위와 같이 임계 영역에 여러 개의 스레드가 동시에 접근하면 원하는 결과를 얻지 못하는 상황이 발생하게 된다.
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그리고 임계 영역에 접근하는 스레드들 중에서
어떤 스레드가 먼저 읽었는지와 같은 접근 순서, 타이밍과 같은 것이 결과에 영향을 끼치는 상태를 Indeterminate(불확실성) 라고 말한다.
Critical section
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Critical section(임계영역)은 여러개의 스레드가 동시에 접근해서는 안되는, 즉 하나의 스레드만 접근할 수 있는 영역이다. -
다수의 스레드가 critical section 접근하면 Race condition(경쟁 상태)의 결과를 가져온다.
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만약 어떤 스레드가 critical section에 접근하는 중이라면 다른 스레드가 접근할 수 없도록 atomicity(원자성)을 보장해야 하며, 이를 mutual exclusion(상호 배제)라고 부른다.
Solution
Hardware 지원에서는 Super instruction이 있다.
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Super instruction이란 하드웨어가 명령어가 atomically하게 실행하도록 보장하는 것을 말한다. -
atomic이란 한 번에 진행하여 방해없이(끊김없이) 수행되는 것을 말한다. 하나의 명령어이기 때문에 중간에 끊을 수 없다.- 영어로 표현하면, Could not be interrupted(all or nothing) 이라고 말한다.
Software 지원에는 다양한 종류들이 있다.
- Synchronization primitives, Mutex, Semaphore, Conditional variable, Monitor …
Review
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스레드가 무엇인지, 프로세스와는 어떤 차이점을 지니는 지에 대해 알아봤고, 멀티 스레드의 장점과 문제점 및 해결방안들을 살펴봤다.
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그리고 Concurrency에서 중요한 용어들(Critical section, Race condition, Mutual exclusion, Indeterminate)
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다음 시간에는 쓰레드의 문제점을 해결하는 Software 지원의 여러 종류들 중에서
Mutex,Semaphore를 공부하고 정리해보도록 하자.
예상 질문
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스레드란 무엇인가요? 프로세스와 어떤 차이점을 가지고 있나요?
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왜 멀티 스레드를 사용하는지, 멀티 스레드의 장점에 대해 설명해 주세요.
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멀티 스레드의 문제점은 무엇인가요? (Race condition, Critical section, Mutual exclusion)
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멀티 스레드의 문제점에 대한 해결방안은 무엇인가요?