[운영체제] 스레드

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스레드란?

프로세스가 생성되면 CPU 스케줄러는 프로세스가 해야 할 일을 CPU에 전달하고 실제 작업은 CPU가 수행한다. 이때 CPU 스케줄러가 CPU에 전달하는 일 하나가 스레드다. 즉, CPU가 처리하는 작업의 단위는 프로세스로부터 전달받은 스레드가 된다.

 

따라서, 운영체제의 작업 단위를 프로세스라고 한다면 CPU의 작업 단위를 스레드라고 한다.

 

프로세스와 스레드의 차이

프로세스끼리는 약하게 연결되어 있다. 약하게 연결되어 있다는 것은 각각의 프로세스는 독립된 메모리 영역을 가지며, 서로 다른 프로세스 간에는 메모리 공유를 하지 않는다는 것이다. 이렇게 독립적인 프로세스는 서로 다른 프로세스끼리 데이터를 주고받을 때 프로세스 간 통신(IPC)을 이용한다. 

 

반면, 스레드끼리는 강하게 연결되어 있다. 강하게 연결되어 있다는 것은 스레드는 동일한 프로세스 내에서 다른 스레드와 같은 메모리 공간을 공유하므로 스레드 간에 데이터를 공유하거나, 스레드 간의 통신이 용이하다는 것이다.

 

 

정확하게 말하면 스레드들끼리는 프로세스의 코드, 데이터, 힙 영역을 공유한다. 스레드가 만들어지면 프로세스의 스택 영역, 더 정확하게 말하자면 스택 영역과 힙 영역 사이에 스레드의 스택 영역을 만들어둔다.

 

 

스레드를 만든 프로세스는 각 스레드들의 스택 영역을 가르키는 스택 포인터와 스레드들의 실행될 명령어의 주소를 가지고 있는 PC(프로그램 카운터)를 스택 영역과 힙 영역 사이의 공간에 저장한다.

 

관련 용어

멀티스레드

한 프로세스 내 작업을 여러 개의 스레드로 분할함으로써 작업의 부담을 줄이는 프로세스 운영 기법이다.

 

CPU 멀티스레드

한 번에 하나씩 처리해야 하는 스레드를 잘게 쪼개어 동시에 처리하는 명령어 병렬 처리 기법이다. 운영체제가 소프트웨어적으로 프로세스를 작은 단위의 스레드로 분할하여 운영하는 기법은 멀티스레드, 하나의 CPU에서 여러 스레드를 동시에 처리하는 것은 CPU 멀티스레드라고 부른다.

 

멀티태스킹

운영체제가 시분할 시스템을 이용하여 CPU에 작업을 줄 때 시간을 잘게 나누어 배분하는 기법이다. 이때, 운영체제가 CPU에 전달하는 작업은 프로세스가 아니라 스레드다.

 

멀티 프로세싱

컴퓨터 하나에 여러 개의 CPU, 혹은 하나의 CPU 내 여러 개의 코어에 여러 개의 스레드를 배정하여 동시에 작동하는 작업 환경을 말한다.

멀티태스킹은 하나의 CPU에 여러 개의 프로세스나 스레드(시분할 시스템)를 번갈아가며 처리하는 방식이고, 멀티 프로세싱은 여러 개의 CPU 혹은 코어(멀티 프로세서, 멀티 코어 시스템)를 사용하여 여러 개의 작업을 동시에 처리하는 것(병렬 처리)이다.

 

멀티스레드

 

멀티 스레드의 장점

응답성 향상
한 스레드가 작업을 안 해도 다른 스레드가 작업을 계속하여 빠르게 응답할 수 있다.

 

자원 공유
한 프로세스 내에 독립적인 스레드를 생성하면 프로세스가 가진 자원을 모든 스레드가 공유하게 되어 작업을 원활하게 진행할 수 있다.

 

효율성 향상
여러 개의 프로세스를 생성할 때의 단점인 불필요한 자원의 중복을 막음으로써 시스템의 효율이 향상된다.

 

다중 CPU 지원
다중 CPU가 멀티 스레드를 동시에 처리하여 CPU 사용량이 증가하고 프로세스 처리 시간이 단축된다.

 

멀티스레드의 단점

인터넷 익스플로러와 구글 크롬 브라우저의 차이로 설명할 수 있다. 인터넷 익스플로러에서 하나의 창은 하나의 스레드인 반면, 구글 크롬에서의 하나의 창은 하나의 프로세스이다. 인터넷 익스플로러는 하나의 창에서 문제가 생기면 인터넷 익스플로러 전체가 종료되는 반면, 구글 크롬은 그렇지 않다.

 

이처럼 멀티스레드는 모든 스레드가 자원을 공유하기 때문에 하나의 스레드에 문제가 생기면 전체 프로세스에 영향을 미친다.

 

멀티스레드 모델

프로세스가 커널 프로세스와 사용자 프로세스로 나뉘듯이 스레드도 커널 스레드(kernel-level thread)와 사용자 스레드(user-level thread)로 나뉜다. 커널 스레드는 커널이 직접 생성하고 관리하는 스레드이고, 사용자 스레드는 라이브러리(ex. C언어의 pthread 라이브러리)에 의해 구현된 일반적인 스레드다. 커널 스레드와 사용자 스레드의 대응 방식은 1 to N 모델, 1 to 1 모델, M to N 모델로 분류된다.

 

사용자 스레드(1 to N 모델)

사용자 스레드는 커널이 멀티스레드들 지원하지 않을 때 사용하는 방법으로 초기의 스레드 시스템에서 사용되었다. 사용자 스레드는 사용자 스레드 라이브러리를 사용하여 스레드를 구현한다. 이때, 사용자 스레드 라이브러리는 커널이 지원하는 스케줄링이나 동기화 같은 기능을 대신 구현해 준다. 커널 입장에서는 사용자 스레드가 몇 개든 하나의 프로세스처럼 보인다. 사용자 스레드는 사용자 프로세스 내에 여러 개의 스레드가 존재하지만 커널의 스레드 하나와 연결되기 때문에 1 to N 모델이라고 한다.

 

사용자 스레드는 라이브러리가 직접 스케줄링하고 작업에 필요한 정보를 처리하기 때문에 문맥 교환이 필요 없어 문맥 교환과 같은 부가적인 작업이 줄어들어 속도가 빠르다.

 

하지만, 여러 개의 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결되기 때문에 커널 스레드가 입출력 작업을 위해 대기 상태에 들어가면 모든 사용자 스레드가 같이 대기하게 된다는 것이다. 왜냐하면 커널 입장에서는 하나의 프로세스이므로 일부 스레드만 대기 상태로 보낼 수 없기 때문이다.

 

또한, 한 프로세스의 타임 슬라이스를 여러 스레드가 공유하기 때문에 여러 개의 CPU를 동시에 사용할 수 없다는 것이다. CPU를 여러 개 갖추고 멀티스레드를 지원하는 커널의 경우 스레드를 여러 CPU에 나누어 작업시키는 것이 가능한 반면, 커널 입장에서 사용자 스레드는 하나의 프로세스로 인식되므로 작업을 나눌 수 없다.

 

이외에도 사용자 스레드는 보안에 취약하다. 커널 레벨에서는 공유 데이터를 보호하는 장치가 있으나 이러한 서비스를 커널이 아닌 라이브러리에서 구현해야 하기 때문이다.

 

커널 스레드(1 to 1 모델)

커널 스레드는 커널이 멀티스레드를 지원하는 방식으로, 하나의 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드와 연결되기 때문에 1 to 1 모델이라고 부른다. 커널 스레드는 독립적으로 스케줄링되므로 특정 스레드가 대기 상태에 들어가도 다른 스레드는 작업을 계속할 수 있다. 또한, 커널이 제공하는 보호 기능과 같은 모든 기능을 사용할 수 있다.

커널 스레드는 커널 레벨에서 모든 작업을 지원하기 때문에 멀티 CPU를 사용할 수 있고, 하나의 스레드가 대기 상태에 있어도 다른 스레드는 작업을 계속할 수 있다. 하지만 문맥 교환을 할 때 오버헤드 때문에 느리게 작동한다.

 

 

💡 더 나아가기

C언어의 pthread 라이브러리에는 pthread_create()라는 스레드를 생성하는 함수가 존재한다. 스레드 라이브러리를 사용해서 스레드를 생성했으니 사용자 수준 스레드만 제공하는 것으로 생각할 수 있는데, 내부적으로 clone()이라는 커널 수준 스레드를 생성하는 시스템 콜을 사용해서 사용자 수준 스레드를 만든다고 한다.

즉, pthread_create()는 사용자 수준 스레드뿐만 아니라 커널 수준 스레드도 생성할 수 있다. 이때, 두 번째 인자를 NULL로 지정하면 기본적으로 사용자 수준 스레드 모델이 선택된다.

이 함수의 두 번째 인자인 pthread_attr_t 타입 변수로 사용자 수준 스레드를 생성할 것인지 커널 수준 스레드를 생성할 것인지 지정할 수 있다고 한다.
pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_PROCESS)을 사용하면 사용자 수준 스레드를 생성하는 것이고 pthread_attr_setscope(&attr, PTHREAD_SCOPE_SYSTEM)을 사용하면 커널 수준 스레드를 생성하는 것이다.

 

 

멀티레벨 스레드(M to N 모델)

사용자 스레드와 커널 스레드를 혼합한 방식이므로 M to N 모델이라고 한다. 사용자 스레드에서는 커널 스레드의 개수가 사용자 스레드보다 적기 때문에 멀티레벨 스레드에서는 커널 스레드의 개수가 사용자 스레드보다 같거나 적다.

멀티레벨 스레드는 사용자 스레드와 커널 스레드 방식을 혼용하기 때문에 사용자 스레드와 커널 스레드의 장단점을 모두 가지고 있다. 하나의 커널 스레드가 대기 상태에 들어가면 다른 커널 스레드가 대신 작업을 하여 사용자 스레드보다 유연하게 작업을 처리할 수 있다.

 

하지만, 커널 스레드를 같이 사용하기 때문에 여전히 문맥 교환 시 오버헤드가 있어 사용자 스레드만큼 빠르지 않다. 따라서 빠르게 움직여야 하는 스레드는 사용자 스레드로 작동하고, 안정적으로 움직여야 하는 스레드는 커널 스레드로 작동한다.