운영체제 정리 - 4장

1. 프로세스와 쓰레드

프로세스

• 실행중인 프로그램

• 구성

  • 메모리 (코드, 데이터, 스택)

  • 파일

  • Signal

  • IPC

  • accounting...

  
  

  • CPU

  • 스케줄링 정보

    • 자원 소유권 : 프로세스가 가짐

    • 수행 / 스케줄링 : 보통 쓰레드 단위로 (운영체제에 따라 상이)

      • 한 프로세스는 다른 프로세스와 번갈아 가면서 수행될 수 있기 때문

<프로세스 이미지>

• 현대 운영체제에서는 프로세스를 태스크, 쓰레드 두 객체로 분리한다.

  • 태스크 (=프로세스)

    : 자원 저장소 (Resource Container)

    • 사용자 문맥, 시스템 문맥

  • 쓰레드

    : 제어 흐름 (=경량 프로세스)

    • 실행 정보, 레지스터 문맥

    • 문맥 교환이 쓰레드 교환일 수 있다. 프로세스 교환보다 훨씬 비용이 적다.
      (다른 프로세스 안에 쓰레드가 있을 땐 프로세스 교환일 수 있다. )

단일 쓰레딩 VS 멀티 쓰레딩

1) 단일 프로세스, 단일 쓰레드

2) 단일 프로세스, 다수의 쓰레드: 병렬 프로그래밍

3) 다수의 프로세스, 프로세스 당 하나의 쓰레드: 멀티 프로세서의 경우에 다중 쓰레드와 같은 효과

4) 다수의 프로세스, 프로세스 당 다수의 쓰레드: 병렬 수행 (최고로 좋다!)

• 운영체제가 지원해야하는 당연한 환경

사례

• MS-DOS

  • 단일 사용자 프로세스, 단일 쓰레드

• UNIX

  • 다중 사용자 프로세스, 프로세스 당 하나의 쓰레드만을 지원

• 최신 버전의 UNIX

  • Multi-user, Mulit-process(Multi-thread)

• 최신 버전의 Window

  • Single-user, Multi-process

• 최신 버전의 Solaris

  • Multi-user, Multi-Process

멀티 쓰레딩 환경

• 태스크 관련 사항

  • 프로세스 이미지를 유지하는 가상 주소 공간

  • 처리기, (IPC를 위한) 다른 프로세스 파일, I/O 자원들에 대한 접근 제어, 문맥

• 쓰레드 관련 사항

  • 실행 상태( 수행, 준비, 블록 )

  • 수행 중이 아닐 때 저장되는 쓰레드 문맥

    쓰레드 문맥: 쓰레드를 보는 관점 중 하나로, 쓰레드를 한 프로세스 안에서 동작하는 프로그램 카운터로 간주하는 것이다.

  • 실행 스택

  • 지역 변수 저장을 위해 각 쓰레드가 사용하는 어떤 정적 저장소 (Thread Local Storage)

    • C에서 static (공유하지 않는 global)

    • 프로세스에 속해 있는 쓰레드들 끼리는 global 변수를 공유한다.

  • 자신이 속한 프로세스의 메모리 및 자원들에 대한 접근 공유 (global)

  • 한 프로세스 내의 모든 쓰레드들은 그 프로세스의 자원들을 공유한다.

💨 쓰레드들은 같은 주소 공간에 존재하며, 동일한 데이터를 접근한다.

쓰레드의 장점

• 프로세스에 비해 새로운 쓰레드 생성 시간 / 비용이 절약 된다.

  • 프로세스보다 수십 배 빠르다.

• 프로세스 종료 시간보다 쓰레드 종료시간이 짧다.

• 한 프로세스 내의 두 쓰레드들 사이의 교환 / 교체 시간이 짧다.

  • 주소변경 필요가 없기 때문

• 동일 프로세스 내의 쓰레드들은 메모리 및 파일을 공유하기 때문에, 이들 쓰레드들은 커널의 개입 없이 서로 통신이 가능하다.

• 모듈화

  • 한 프로그램의 구조를 단순화

  • 다중 처리기 (Multiprocessor)의 효율적 사용

  • 빠른 IPC(메세지 전송 x, 공유 메모리 사용 가능)

    • IPC: InterProcessor Communication)

  • 병행 서버(Listenings Thread and Responding Threads)

    • 서버 소프트웨어 (멀티 쓰레드)

      • Listenings Thread (사용자 요청 처리)

      • Responding Threads (분배)

단일 사용자 멀티 프로세싱 시스템에서의 쓰레드의 사용

• 전면(foreground)과 후면(background) 작업

  : 응용의 속도 향상

  • 예

    : 하나의 쓰레드(전면)가 메뉴를 나타내고 사용자 입력을 읽는 중에, 다른 쓰레드(후면)는 사용자 명령을 수행하고 스프레드 시트를 갱신할 수 있다.

• 비동기 처리(asynchronous) 처리

  : 다른 작업의 기능

• 프로그램의 비동기적 요소들을 쓰레드를 통해 구형할 수 있다.

• 빠른 수행

  : 멀티 쓰레드 프로세스는 어떤 데이터 묶음을 계산하면서 동시에 어떤 장치에서 다음 데이터 묶음을 읽어 들일 수 있다.

  • 한 프로세스 내의 여러 쓰레드들은 실제적으로 동시에 수행될 수 있다.

  • 한 쓰레드가 특정 데이터 묶음을 읽기 위해 입출력 작업 오나료를 기다리면서 블록될지라도, 또 다른 쓰레드가 수행될 수 있다.

• 모듈 프로그램 구조

  : 쓰레드를 사용하여 설계하고 구현하는 것이 편리하다.

💨 단일 처리기에서는 멀티 프로그래밍으로 인해, 여러 프로세스 내의 여러 쓰레드들이 번갈아 수행될 수 있다.

쓰레드의 기능(Thread Functionality)

쓰레드를 지원하는 운영체제 : 스케줄링과 디스패칭이 쓰레드를 기초로 이루어진다.

(수행에 관련된 대부분의 상태 정보가 쓰레드 수준의 자료구조에 의해 이루어진다.)

• 쓰레드 상태

  • 수행, 준비, 블록 (+보류)

    • 보류는 페이지 단위로 움직이기 때문에 쓰레드 때문에 보류되는 것은 있을 수 없다. 프로세스가 보류될 때 같이 보류된다.

  • 생성: 프로세스 생성 시 쓰레드 함께 생성

    • 쓰레드는 다른 쓰레드를 생성할 수 있다. (같은 프로세스 내에)

    • 새로 생성된 쓰레드를 위해서 명령 포인터와 인자들을 제공한다.

      (새로운 쓰레드는 자신의 레지스터 문맥과 스택 공간을 가지며, 준비큐에 위치)

  • 블록: 쓰레드가 어떤 사건을 기다려야 할 때

    • 이 때 자신의사용자 레지스터, 프로그램 카운터, 스택 포인터를 저장

  • 비블록: 기다리던 사건 발생 시

• 기본적인 쓰레드 연산

  • 생성, 디스패치, 블록, 비블록, 종료

💨 논점: 한 쓰레드의 블록이 전체 프로세스를 블록 시키는지 여부
(쓰레드의 장점과 유연성을 사라지게 할 수 있기 때문)

• 쓰레드 동기화 (Synchronization)

  • 한 프로세스 내의 모든 쓰레드들은 동일 주소 공간 및 자원들을 공유한다.

  • 공유자원: 지역 변수, 파일, 힙(heap) 영역

  • 공유자원에 대해 동시 접근 시 (특히, 갱신) 일관성 유지 기법 필요

    • 예: 한 공유 변수에 대해 읽기 연산은 동시 접근이 가능하나, 쓰기 연산을 한 순간에 하나만 가능

<사용자 수준 쓰레드(User-level thread, ULT) 와 커널 수준 쓰레드(Kernel-level thread, KLT)>

(a) 커널은 쓰레드의 사정을 알 수 없다.

(b) 커널이 쓰레드의 존재를 안다.

(c) 쓰레드들 간 문맥교환은 빠르나, 교행 수행이 효율적이지 않을 수 있다.

사용자 수준 쓰레드(User-level thread, ULT) 및 커널 수준 쓰레드(Kernel-level thread, KLT)

• 사용자 수준 쓰레드 (ULT)

  • 응용이 모든 쓰레드 관리를 책임짐

    • 쓰레드 라이브러리가 쓰레드 생성, 제거, 데이터 전송, 동기화, 스케줄, 문맥 교환을 수행

  • 커널은 쓰레들의 존재를 모른다.

  • 이러한 접근 방법의 예: cthread, pthread

• 커널 수준 쓰레드 (KLT)

  • 커널이 프로세스 및 쓰레드에 대한 문맥 정보를 관리

    • 쓰레드 관리와 관련된 모든 작업이 커널에 의해 이루어짐

  • 커널은 여러 처리기에 같은 프로세스 내의 여러 쓰레드를 동시에 스케줄 할 수 있다.

  • 한 프로세스의 쓰레드가 블로되면, 커널은 같은 프로세스에서 다른 쓰레드를 스케줄 할 수 있다.

  • 커널 루틴 자체가 멀티 쓰레드로 구성될 수 있다.

    • But, 같은 프로세스 내의 한 쓰레드에서 다른 쓰레드로 제어를 넘길 때 커널로의 모드 전환이 필요하다.

  • 쓰레드에 대한 스케줄링이 커널 수준에서 수행 된다.

  • 이러한 접근 방법의 예: windows

• 결합된 접근 방법 (Combined approach)

  • 대표적인 예: solaris

• 사용자 수준 쓰레드의 장점

  • 쓰레드 교환 / 교체 시에 커널 모드 권한이 불필요

    (두 번의 모드 전이 오버헤드 절약 가능)

    • 쓰레드 관리를 위한 모든 자료구조가 프로세스의 사용자 주소 공간에 있기 때문

  • 특정 응용에 적합한 스케줄링 적용 가능

    • 어떤 응용은 라운드 로빈, 어떤 응용은 우선 순위 기반 스케줄링 알고리즘..

  • 모든 OS에서 수행 가능

    (쓰레드 라이브러리는 모든 응용에 공유하는 응용 수준 함수들의 집합이기 때문)

• 사용자 수준 쓰레드의 단점

  • 한 쓰레드가 블록상태를 유발하는 시스템 호출을 수행할 경우, 자신
    뿐만아니라 그 프로세스 내의 모든 다른 쓰레드들도 블록 된다.

    (커널은 쓰레드의 존재를 모르기 때문)

  • 다중처리기의 장점을 살리지 못한다

    (커널은 한 번에 하나의 처리기에 하나의 프로세스만 할당)

  • 커널 루틴 자체는 다중 쓰레딩 될 수 없다.

    • 커널이 쓰레드 수준을 지원하지 않기에!
    
    

  

  
  

  

  
  

  

  💨 1:M과 M:N은 현실 구현이 힘들다.

  
  
  

2. 멀티코어와 멀티 쓰레딩

Amdall의 법칙

• (1 - f)

  • 순차적으로 동작하는 (병렬화 할 수 없는) 코드를 포함한 실행시간

• f

  • 병렬로 처리 가능한 코드를 포함한 f의 실행 시간

• 예

  • 순차적으로 실행 코드 : 10%

  • f = 90 %, N = 8

    1 / (0.1 + (0.9 / 8)) = 4.7

    → 순차 수행률이 높아질수록 속도 향상이 둔화된다.

멀티코어가 성능에 미치는 영향

• 순차 수행률이 높아질수록 속도 향상이 둔화

• 처리기 갯수가 많아질수록 오버헤드 증가

  • 속도 향상 일정 수준 이후로 감소

멀티코어 성능 향상이 많은 응용

• 멀티 쓰레드화된 네이티브 응용 (원래부터 멀티 쓰레드를 고려해서 설계)

  • 멀티 쓰레드화 된 응용은 소수의 고도로 쓰레드화 된 프로세스를 의미

• 멀티 프로세스 응용

  • 다수의 단일 쓰레드화 된 프로세스들이 존재한다는 의미

• 자바 응용

  • 기본적은 쓰레딩을 지원, 멀티 쓰레드화 된 응용은 개발하는 데 매우 용이

• 멀티 인스턴스 응용

  • 다수의 응용 인스턴스를 멀티코어 구조 상에서 병렬적으로 실행함으로써 속도를 향상시킬 수 있다.

<응용 예제: Valve 게임 소프트웨어>