스레드

스레드와 멀티 스레딩

스레드

스레드는 프로세스의 실행 가능한 가장 작은 단위이다. 프로세스는 여러 스레드를 가질 수 있다.

스레드는 코드, 데이터, 힙을 스레드끼리 서로 공유한다.

 

멀티 스레딩

프로세스 내 작업을 멀티 스레드로 처리하는 기법이며 스레드끼리 서로 자원을 공유하기 때문에 효율성이 높다.

예를 들어 새 프로세스를 생성하는 대신 스레드를 사용하는 웹 서버의 경우 훨씬 적은 리소스를 소비하며, 한 스레드가 중단되어도 다른 스레드는 실행 상태일 수 있기 때문에 중단되지 않은 빠른 처리가 가능하다. 또한 동시성에도 큰 장점이 있다.

하지만 한 스레드에 문제가 생겨 다른 스레드에도 영향을 끼치면 프로세스에 영향을 줄 수 있다.

동시성
서로 독립적인 작업들을 작은 단위로 나누고 동시에 실행되는 것 처럼 보여주는 것

 

공유 자원과 임계 영역

공유 자원 (shared resource)

시스템 안에서 각 프로세스, 스레드가 함께 접근할 수 있는 자원이나 변수 (e.g. 모니터, 프린터, 메모리, 파일, 데이터 등)
이 공유 자원을 두 개 이상의 프로세스가 동시에 접근하는 상황을 경쟁 상태(race condition)라고 한다. 

 

임계 영역 (critical section)

공유 자원에 접근할 때 순서 등의 이유로 결과가 달라지는 영역을 말한다.

해결 방법으로 뮤텍스, 세마포어, 모니터가 있으며 이 방법 모두 상호 배제, 한정 대기, 융통성이란 조건을 만족한다.

이 방법들의 토대가 되는 메커니즘은 잠금(lock)인데 임계 영역에 한 프로세스가 들어오면 잠그고 나가면 다른 프로세스가 이용할 수 있는 형태다.

 

상호 배제
한 프로세스가 임계 영역에 들어갔을 때 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.

한정 대기
특정 프로세스가 영원히 임계 영역에 들어가지 못하면 안된다.

융통성
한 프로세스가 다른 프로세스의 일을 방해해서는 안된다.

 

뮤텍스 (mutex)

공유 자원을 사용하기 전에 설정하고 사용한 후에 해제하는 잠금이다.

잠금이 설정되면 다른 스레드는 잠긴 코드 영역에 접근할 수 없고 하나의 상태만을 가진다. (잠금 또는 잠금 해제)

 

세마포어 (semaphore)

일반화된 뮤텍스이다. 간단한 정수 값과 두 가지 함수 wait() 및 signal()로 공유 자원에 대한 접근을 처리한다.

wait()은 자신의 차례가 올 때까지 기다리는 함수이고 signal()은 다음 프로세스로 순서를 넘겨주는 함수이다.

프로세스가 공유 자원에 접근하면 세마포어에서 wait() 작업을 수행하고 프로세스가 공유 자원을 해제하면 signal() 작업을 수행한다.

• 바이너리 세마포어
  0과 1 두 가지 값만 갖는다. 구현의 유사성으로 인해 뮤텍스는 바이너리 세마포어라고 할 수 있다.
  하지만 정확히는 뮤텍스는 리소스에 대한 접근을 동기화하는데 사용되는 잠금 메커니즘이고, 세마포어는 신호를 기반으로 상호 배제가 일어나는 신호 메커니즘이다.
• 카운팅 세마포어
  여러 개의 값을 가질 수 있는 세마포어로 여러 자원에 대한 접근을 제어하는데 사용된다.

 

모니터

둘 이상의 스레드나 프로세스가 공유 자원에 안전하게 접근할 수 있도록 공유 자원을 숨기고 해당 접근에 대해 인터페이스만 제공한다.

모니터 큐를 통해 공유 자원에 대한 작업들을 순차적으로 처리한다. 세마포어보다 구현하기 쉬우며 모니터에서 상호 배제는 자동인 반면에, 세마포어에서는 상호 배제를 명시적으로 구현해야 하는 차이점이 있다.

 

교착 상태 (deadlock)

두 개 이상의 프로세스들이 서로가 가진 자원을 기다리며 중단된 상태를 말한다.

 

원인

• 상호 배제 : 한 프로세스가 자원을 독점하고 있으며 다른 프로세스들은 접근이 불가능하다.
• 점유 대기 : 특정 프로세스가 점유한 자원을 다른 프로세스가 요청하는 상태이다.
• 비선점 : 다른 프로세스의 자원을 강제적으로 가져올 수 없다.
• 환형 대기 : 프로세스 A는 프로세스 B의 자원을 요구하고, 프로세스 B는 프로세스 A의 자원을 요구하는 등 서로가 서로의 자원을 요구하는 상황을 말한다.

 

해결 방법

• 자원을 할당할 때 애초에 조건이 성립되지 않도록 설계해야 한다.
• 교착 상태 가능성이 없을 때만 자원을 할당하며 프로세스당 요청할 자원들의 최대치를 통해 자원 할당 가능 여부를 파악하는 '은행원 알고리즘'을 쓴다.
• 교착 상태가 발생하면 사이클이 있는지 찾아보고 이에 관련된 프로세스를 한 개씩 지운다.
• 교착 상태는 매우 드물게 일어나기 때문에 이를 처리하는 비용이 더 커서 교착 상태가 발생하면 사용자가 작업을 종료한다. 현대 운영체제는 이 방법을 채택했다.

은행원 알고리즘
총 자원의 양과 현재 할당한 자원의 양을 기준으로 안정 또는 불안정 상태로 나누고 안정 상태로 가도록 자원을 할당하는 알고리즘

 

 

 

Reference

• http://www.yes24.com/Product/Goods/108887922