사람이 벽돌을 올리는 작업을 생각해보자, 굳이 한 손으로 벽돌을 올리는 것보다는 두 손을 이용해서 벽돌을 위로 올린다면 작업능률 또한 2배로 올라갈 것이다. Thread 컨셉 또한 이와 다르지 않다.

병렬적 프로그래밍

우선 우리는 Process에 대해 알고있다. 1~100 까지 더해야 하는 상황일때 process를 10개 만들어서 각 prcoess가 1~10까지,11~20, .. ,91~100 까지를 각자 더해주고 그 결과값을 더해준다면 단일 process 계산에 비해서 성능은 10배로 올라갈 것이다. 하지만, 이는 사실 굉장히 비효율적이다. 왜 그럴까?

• Process끼리는 각자 메모리에서 다른 주소 공간을 사용하고 있다.
• Process의 fork에도 리소스가 든다.

첫 번째 예시를 잘 생각해보자. 각 process가 자신의 고유한 영역(주소 공간)이 정해져 있기 때문에 데이터를 주고 받기 위해서는 system call이 발생하거나 socket 인터페이스를 통한 데이터 송수신이 필요하다 ( e.g. socket, message queue,공유 메모리 etc ...). 즉, 성능이 나빠지게 될 수도 있다.

Can we do better?

하지만 병렬적인 연산이야말로, 사실 근본적인 성능 향상의 해결책이다. 그럼 어떻게 해야 병렬적인 연산을 효율적으로
처리할 수 있을까? 하나의 process내에 cpu의 최소 연산단위인 Thread를 도입한다.
이제부턴 Thread가 스케쥴링의 단위가 된다.(스케쥴링은 Context switching에서 더욱 자세히 다루겠다)

• (a) Three Processes each with one thread
• (b) One Process with thress threads

새롭게 정의하는 Process 주소 공간

다음은 우리가 Process에 기반하여 주소 공간을 생각했을때의 process 주소 공간의 구조이다.

아래는 Thread에 기반하여 주소 공간을 생각했을때 정의된 process 주소 공간의 구조이다.

그림만 보고는 조금 이해가 어려울 테니 C코드와 함께 살펴보자.

int main(){
	f1(g(x));
    f2(h(t));
 }

Process에 f1(g)와 f2(h)가 stack공간을 차지하고 있다. 이들은 각자의 program counter와 stack pointer를 가진다.
각자의 영역이 overwrite되지 않기 위해 OS는 process 주소 공간을 조율하여 각 thread에게 할당하여준다.

Kernel Thread와 User Thread

자 그러면 Thread가 병렬 computing에 효율적이란 것은 알았다. 그렇다면, Thread의 생성은 누가 담당할 것인가?

• User-level Thread : 각 process에 thread를 관리하는 table이 존재하지만 OS가 process 내부의 thread를 관리할 수 없다.

  • 장점
    • Syscall을 통해 Thread를 관리하지 않으므로 작고,가볍고,빠르다.
    • User-level library를 통해 Thread가 관리된다.
    • thread의 생성이나 thread사이의 context switching, 동기화 등이 전부 kernel의 개입없이 일어난다.
    • OS의 개입이 없으므로, 자신의 입맞대로 스케쥴링 알고리즘을 설정할 수 있다.
  • 단점
    • 치명적인 단점, 만일 process 내부의 임의의 thread가 syscall등으로 block이 된다면 OS는
      내부 thread의 존재를 모르므로 process 전체를 block시켜버린다. 즉, all-stop된다는 소리

• Kernel Thread: Process의 thread의 생성과 관리가 syscall을 통한 커널영역을 통해 이루어진다.

  • OS가 process 내부의 모든 thread를 관리한다. 위와 같은, 전체가 all-stop되는 사태는 방지할 수 있을 것이다.
    하지만 여전히 thread operation은 cost가 높다(syscall을 이용하기 때문에).
  • user레벨과 kenerl레벨 thread management를 적절히 혼합한 hybrid 방식 또한 존재한다. 하나의 kernel
    thread가 일부의 thread를 관리한다. 이러한 kernel thread가 n개 커널 영역에 존재한다.

Conclusion

병렬적인 computing을 위한 process와 thread를 알아보았다. process 방식과 thread 방식은 각자 일장 일단이 존재한다. 우선 process의 장점은, 각자의 주소공간이 분리 되어있어 강력한 보안을 제공한다는 것이다. 그렇기 각 process는 독립적으로 다뤄질 수 있다. 하지만, parallel programming에는 불리한 부분이 존재한다.
Thread의 경우 같은 주소공간을 공유하고 있기에 parallel programming에 더욱 유리하다.이와 같이, 프로그램의 목적이나 그 목표에 따라 적절히 두 가지 기법을 혼합하여 사용하면 될 것 같다.