[OS] 스레드와 동시성(Thread & Concurrency)

 

스레드와 병행성(Threads & Concurrency)

우리는 이전에 정리했다시피 프로세스 모델은 한 프로세스가 하나의 제어 스레드로 프로그램을 실행한다고 가정하였습니다. 그러나 거의 모든 현대 운영체제는 한 프로세스가 다중 스레드를 포함하는 특성을 제공합니다. 다중 CPU를 제공하는 최신 다중 코어 시스템에서 스레드 사용을 통한 병렬 처리의 기회를 식별하는 것이 점차 중요해집니다.

 이번 장에서는 Pthreads, Windows 및 Java 스레드 라이브러리용 API에 대한 논의를 비롯하여 다중 스레드 컴퓨터 시스템과 관련된 많은 개념을 소개해 보겠습니다. 또한 스레드 생성 개념을 추상화하는 몇 가지 새로운 기능을 살펴볼 건데 이 기능은 개발자가 병렬 처리 기회를 식별하고 언어 제공 기능 및 API 프레임워크가 스레드 생성 및 관리 세부 정보를 관리할 수 있도록 하는 데 초점을 맞출 수 있게 합니다. 다중 스레드 프로그래밍과 관련된 여러 가지 문제와 운영체제 설계에 미치는 영향을 살펴봅니다. 마지막으로, Windows 및 Linux 운영체제가 커널 수준에서 스레드를 지원하는 방법을 살펴보겠습니다.

 

개요(_Overview)

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스레드는 CPU 이용의 기본 단위입니다. 스레드는 스레드 ID, 프로그램 카운터(PC), 레지스터 집합, 그리고 스택으로 구성됩니다. 스레드는 같은 프로세스에 속한 다른 스레드와 코드, 데이터 섹션, 그리고 열린 파일이나 신호와 같은 운영체제 자원들을 공유합니다. 전통적인 프로세스는 하나의 제어 스레드를 가지고 있습니다. 만일 프로세스가 다수의 제어 스레드를 가진다면 프로세스는 동시에 하나 이상의 작업을 수행할 수 있습니다. 아래 그림은 전통적인 단일 스레드 프로세스와 다중 스레드 프로세스의 차이점을 보여주고 있습니다.

단일 및 다중 스레드 프로세스

 

동기(_Motication)

현대의 컴퓨터와 모바일 기기에서 작동하는 거의 모든 소프트웨어 응용들은 다중 스레드를 이용합니다. 하나의 응용은 몇 개의 실행 흐름을 가진 독립적인 프로세스로 구현됩니다. 아래에서는 다중 스레드 응용 프로그램의 몇 가지 예를 보여줍니다.

• 이미지 모음에서 사진 축소판을 만드는 응용 프로그램은 별도의 스레드를 사용하여 개별 이미지에서 축소판을 생성할 수 있다.
• 웹 브라우저는 하나의 스레드가 이미지 또는 텍스트를 표시하고 다른 스레드는 네트워크에서 데이터를 검색하도록 할 수 있다.
• 워드 프로세서에서 그래픽을 표시하는 스레드, 사용자의 키 입력에 응답하는 또 다른 스레드 및 백그라운드에서 맞춤법 및 문법 검사를 수행하는 세 번째 스레드가 있을 수 있다.

응용은 다중 코어 시스템에서 처리 능력을 향상하도록 설계될 수 있습니다. 이러한 응용은 다중 계산 코어를 사용하여 다수의 CPU-집중 작업을 병렬(parallel)로 처리할 수 있습니다.

 하나의 응용 프로그램이 여러 개의 비슷한 작업을 수행할 필요가 있는 상황들이 또한 있습니다. 예를 들어, 웹 서버는 클라이언트로부터 웹페이지나 이미지, 소리 등에 대한 요청을 받습니다. 하나의 분주한 웹 서버는 여러 개(아마도 수천 개)의 클라이언트들이 병행하게 접근할 수 있습니다. 만약 웹 서버가 전통적인 단일 스레드 프로세스로 작동한다면, 자신의 단일 프로세스로 한 번에 하나의 클라이언트만 서비스할 수 있게 되어 클라이언트는 자신의 요구가 서비스되기까지 매우 긴 시간을 기다려야 합니다.

 하나의 해결책은 서버가 요청을 받아들이는 하나의 프로세스로 동작하게 하는 것입니다. 즉, 서버에게 서비스 요청이 들어오면, 프로세스는 그 요청을 수행할 별도의 프로세스를 생성하는 것입니다. 사실 이와 같은 방식으로 프로세스를 생성하는 것은 스레드가 대중화되기 전에는 매우 보편적이었습니다. 하지만 프로세스 생성 작업은 매우 많은 시간을 소비하고 많은 자원을 필요로 하는 일입니다. 그래서 프로세스 안에 여러 스레드를 만들어 나가는 것이 더 효율적입니다. 웹 서버가 다중 스레드화 되면, 서버는 클라이언트의 요청을 listen 하는 별도의 스레드를 생성합니다. 요청이 들어오면 다른 프로세스를 생성하는 것이 아니라, 요청을 서비스할 새로운 스레드를 생성하고 추가적인 요청을 listen 하기 위한 작업을 재개합니다. 이 상황이 아래 이미지에 설명되어 있습니다.

다중 스레드 서버 구조

 대부분의 운영체제 커널도 일반적으로 다중 스레드입니다. 예를 들어 Linux 시스템에서 시스템을 부트 하는 동안 여러 커널 스레드가 생성됩니다. 각 스레드는 장치 관리, 메모리 관리 또는 인터럽트 처리와 같은 특정 작업을 수행합니다. ps -ef 명령을 사용하여 실행 중인 Linux 시스템에서 커널 스레드를 표시할 수 있습니다. 이 명령의 출력을 검사하면 커널 스레드 kthreadd(pid=2)가 표시되며 다른 모든 커널 스레드의 부모 역할을 합니다. 

 많은 응용 프로그램도 기본 정렬, 트리 및 그래프 알고리즘을 포함하여 다중 스레드를 활용할 수 있습니다. 또한, 데이터 마이닝, 그래픽 및 인공지능에서 CPU 중심의 최신 문제를 해결해야 하는 프로그래머는 병렬로 실행되는 솔루션을 설계하여 최신 다중 코어 시스템의 성능을 활용할 수 있습니다.

장점(Benefits)

다중 스레드 프로그래밍의 이점은 다음의 4가지 큰 부류로 나눌 수 있습니다.

1. 응답성(responsiveness)
2. 자원 공유(resource sharing)
3. 경제성(economy)
4. 규모 적응성(scalability)

응답성(responsivieness)				사용자가 시간이 많이 걸리는 연산을 시작하는 단추를 클릭했을 때 어떻게 되는지 생각해보자. 단일 스레드 응용은 그 연산이 완료될 때까지 사용자에게 응답하지 않을 것이다. 대조적으로 시간이 오래 걸리는 연산이 별도의 비동기적 스레드에서 실행된다면 응용은 여전히 사용자에게 응답할 수 있다.
자원 공유(resource sharing)				프로세스는 공유 메모리와 메시지 전달 기법을 통하여야만 자원을 공유할 수 있지만 스레드는 자동으로 그들이 속한 프로세스의 자원들과 메모리를 공유한다.
경제성(economy)				프로세스 생성을 위해 메모리와 자원을 할당하는 것은 비용이 많이든다. 스레드는 자신이 속한 프로세스의 자원들을 공유하기 때문에, 스레드를 생성하고 문맥 교환하는 것이 더욱 경제적이다.
규모 적응성(scalability)				다중 처리기 구조에서는 각각의 스레드가 다른 처리기에서 병렬(parallel)로 수행될 수 있다.

 

 

다중 코어 프로그래밍(_Multicore Programming)

 

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단일 CPU 시스템은 다중 CPU 시스템으로 발전하였습니다. 요즘 시스템 설계 추세는 단일 컴퓨터 칩에 여러 컴퓨팅 코어를 배치하는 것입니다. 각 코어는 운영체제에 별도의 CPU로 보입니다. 이러한 시스템을 다중 코어라고 하며 다중 스레드 프로그래밍은 이러한 여러 컴퓨팅 코어를 보다 효율적으로 사용하고 병행성을 향상하는 기법을 제공합니다. 스레드가 4개인 응용 프로그램을 고려해봅시다. 단일 컴퓨팅 코어가 있는 시스템에서는 단지 처리 코어가 한 번에 하나의 스레드만 실행할 수 있기 때문에 병행성(Concurrent)은 시간이 지남에 따라 스레드 실행이 인터리브 됨을 의미합니다.(아래 이미지)

단일 코어 시스템에서의 병행(Concurrent) 실행

그러나 여러 코어가 있는 시스템에서 병행성은 시스템이 각 코어에 별도의 스레드를 할당할 수 있기 때문에 일부 스레드가 병렬(Parallel) 로 실행될 수 있음을 의미합니다.(아래 이미지)

다중 코어 시스템에서의 병렬(Parallel) 실행

현재 논의에서 병행성(concurrency)과 병렬성(parallelism)의 차이점에 주목해야 합니다. 병행 시스템은 모든 작업이 진행되게 하여 둘 이상의 작업을 지원합니다. 이에 반해 병렬 시스템은 둘 이상의 작업을 동시에 수행할 수 있습니다. 따라서, 병렬성 없이 병행성을 가질 수 있습니다. 다중 처리기 및 다중 코어 아키텍처가 출현하기 전에 대부분의 컴퓨터 시스템에는 단일 프로세서만 있었으며 CPU 스케줄러는 프로세스 간에 빠르게 전환해 각 프로세스가 진행되도록 하여 병렬성의 환상을 제공했습니다. 이러한 프로세스는 병행하게 실행되었지만 병렬로 실행되지는 않았습니다.

 

 

다중 스레드 모델(_Multithreading Models)

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지금까지 일반적 의미에서의 스레드를 다루어 왔습니다. 그러나 스레드를 위한 지원은 사용자 스레드(user threads)를 위해서는 사용자 수준에서,또는 커널 스레드(kernel threads)를 위해서는 커널 수준에서 제공됩니다. 사용자 스레드는 커널 위에서 지원되며 커널의 지원 없이 관리됩니다. 반면에 커널 스레드는 운영체제에 의해 직접 지원되고 관리됩니다. Windows, Linux, macOS를 포함한 거의 모든 현대 운영체제들은 터널 스레드를 지원합니다.

 아래 이미지에 묘사된 것처럼 궁극적으로 사용자 스레드와 커널 스레드는 어떤 연관관계가 존재해야 합니다. 

사용자와 커널 스레드

이 절에서는 이 연관 관계를 확립하는 세 가지 일반적인 방법인 다대일, 일대일, 다대다 모델을 살펴보겠습니다.

1.  다대일 모델(_Many_to-One Model)

다대일 모델

다대일(many-to-one) 모델은 많은 사용자 수준 스레드를 하나의 커널 스레드로 사상합니다. 스레드 관리는 사용자 공간의 스레드 라이브러리에 의해 행해집니다. 따라서 효율적이라 할 수 있습니다. 하지만, 한 스레드가 봉쇄형 시스템 콜을 할 경우, 전체 프로세스가 봉쇄됩니다. 또한, 한 번에 하나의 스레드만이 커널에 접근할 수 있기 때문에, 다중 스레드가 다중 코어 시스템에서 병렬로 실행될 수 없습니다. 그린 스레드(green thread)가 다대일 모델을 사용하였는데, 그린 스레드는 Solaris 시스템을 위한 스레드 라이브러리를 말하며 Java의 초기 버전에서도 채택되었습니다. 그러나 다중 처리 코어가 대부분의 컴퓨터 시스템에서 표준이 되었고 다중 처리 코어의 이점을 살릴 수 없기 때문에 이 모델을 사용 중인 시스템은 거의 존재하지 않습니다.

2. 일대일 모델(_One-to-One Model)

일대일 모델

일대일(one-to-one) 모델은 각 사용자 스레드를 각각 하나의 커널 스레드로 사상합니다. 이 모델은 하나의 스레드가 봉쇄적 시스템 콜을 호출하더라도 다른 스레드가 실행될 수 있기 때문에 다대일 모델보다 더 많은 병렬성을 제공합니다. 또한 이 모델은 다중 처리기에서 다중 스레드가 병렬로 수행되는 것을 허용합니다. 이 모델의 유일한 단점은 사용자 스레드를 만들려면 해당 커널 스레드를 만들어야 하며 많은 수의 커널 스레드가 시스템 성능에 부담을 줄 수 있다는 것입니다. Linux는 Windows 운영체제 제품군과 함께 일대일 모델을 구현합니다.

3. 다대다 모델(_Many_to_Many_Model)

 

다대다 모델

다대다(many-to-many) 모델은 여러 개의 사용자 수준 스레드를 그보다 작은 수, 혹은 같은 수의 커널 스레드로 멀티플렉스 합니다. 커널 스레드의 수는 응용프로그램이나 특정 기계에 따라 결정됩니다(응용 프로그램은 4개의 코어 시스템보다 8개의 코어 시스템에서 더 많은 커널 스레드를 할당받을 수 있다).

 이러한 설계가 병행 실행에 미치는 영향을 생각해 봅시다. 다대일 모델은 개발자가 원하는 만큼의 사용자 수준 스레드를 생성하도록 허용하지만, 커널은 한 번에 하나의 커널 스레드만 스케줄 할 수 있기 때문에 진정한 병렬 실행을 획득할 수 없습니다. 일대일 모델은 더 많은 병행 실행을 제공하지만, 개발자가 한 응용 내에 너무 많은 스레드를 생성하지 않도록 주의해야 합니다(사실 일부 시스템에서는 생성할 수 있는 스레드의 수가 제한될 수 있습니다). 다대다 모델은 이러한 두 가지의 단점들을 어느 정도 해결했습니다. 개발자는 필요한 만큼 많은 사용자 수준 스레드를 생성할 수 있습니다. 그리고 상응하는 커널 스레드가 다중 처리기에서 병렬로 수행될 수 있습니다. 또한, 스레드가 봉쇄형 시스템 콜을 발생시켰을 때, 커널이 다른 스레드의 수행을 스케줄 할 수 있습니다.

 다대다 모델의 변형은 여전히 많은 사용자 스레드를 적거나 같은 수의 커널 스레드로 멀티플렉스 시키지만 또한 한 사용자 스레드가 하나의 커널 스레드에만 연관되는 것을 허용합니다. 이 변형을 때로 두 수준 모델(two-level-model)이라고 불립니다.

두 수준 모델

 다대다 모델이 논의된 모델 중 가장 융통성 있는 것으로 보이지만 실제로는 구현하기가 어렵습니다. 또한 대부분의 시스템에서 처리 코어 수가 증가함에 따라 커널 스레드 수를 제한하는 것의 중요성이 줄어들었습니다. 결과적으로 대부분의 운영체제는 이제 일대일 모델을 사용합니다. 

 

스레드와 관련된 문제들(_Threading Issues)

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이번에는 다중 스레드 프로그램을 설계할 때 고려해야 할 몇 가지 문제들을 논의해 보겠습니다.

1. Fork() 및 Exec() 시스템 콜(_The fork() and exec() Systems Calls)

fork()와 exec()의 차이

그전에 fork()와 exec()의 차이를 알아야 합니다. 위 블로그에 잘 정리되어 있다고 생각하니 먼저 읽고 오시는 것을 추천드립니다.

다중 스레드 프로그램에서는 fork()와 exec()의 의미가 달라질 수 있습니다.

 만일 한 프로그램의 스레드가 fork()를 호출하면 새로운 프로세스는 모든 스레드를 복제해야 할지 아니면 한 개의 스레드만 가지는 프로세스여야 하는지에 대한 의문을 가질 수 있습니다. 몇몇 UNIX 기종은 이 두 가지 버전 fork()를 다 제공합니다. 하나는 모든 스레드를 복사하는 것과 다른 하나는 fork()를 호출한 스레드만 복제하는 것입니다.

 exec() 시스템 콜은 어떤 스레드가 exec() 시스템 콜을 부르면 exec()의 매개변수로 지정된 프로그램이 모든 스레드를 포함한 전체 프로세스를 대체시킵니다.

 두 버전의 fork()중 어느 쪽을 택할 것인지는 응용 프로그램에 달려있습니다. fork()를 부르자마자 다시 exec을 부른다면 모든 스레드를 다 복제해서 만들어주는 것은 불필요합니다. 왜냐하면 exec에서 지정한 프로그램이 곧 모든 것을 다시 대체할 것이기 때문입니다. 이 경우에는 fork() 시스템 콜을 호출한 스레드만 복사해주는 것이 적절합니다. 그러나 새 프로세스가 fork() 후 exec()를 하지 않는다면 새 프로세스는 모든 스레드들을 복제해야 합니다.

2. 신호 처리(_Signal Handling)

신호는 UNIX에서 프로세스에 어떤 이벤트가 일어났음을 알려주기 위해 사용됩니다. 신호는 알려줄 이벤트의 근원지나 이유에 따라 동기식 또는 비동기식으로 전달될 수 있습니다. 동기식이건 비동기식이건 모든 신호는 다음과 같은 형태로 전달됩니다.

1. 신호는 특정 이벤트가 일어나야 생성된다.
2. 생성된 신호가 프로세스에 전달된다.
3. 신호가 전달되면 반드시 처리되어야 한다.

동기식 신호의 예로는 불법적인 메모리 접근, 0으로 나누기 등이 있습니다. 실행 중인 프로그램이 이러한 행동을 하면 신호가 발생합니다. 동기식 신호는 신호를 발생시킨 연산을 수행한 동일한 프로세스에 전달됩니다.(동기식이라고 간주하는 이유)

 신호가 실행 중인 프로세스 외부로부터 발생하면 그 프로세스는 신호를 비동기식으로 전달받습니다. 이러한 신호의 예에는 <control><C> 같은 특수한 키를 눌러서 프로세스를 강제 종료시키거나 타이머가 만료되는 경우가 포함됩니다. 비동기식 신호는 통상 다른 프로세스에 전달됩니다. 

 모든 신호는 둘 중 하나의 처리기에 의해 처리됩니다.

1. 디폴트 신호 처리기
2. 사용자 정의 신호 처리기

 모든 신호마다 커널이 실행시키는 디폴트 신호 처리기가 있습니다. 이 디폴트 처리기는 신호를 처리하기 위하여 호출되는 사용자 정의 처리기에 의해 대체될 수 있습니다. 신호는 다른 방식으로 처리될 수 있습니다. 일부 신호는 무시될 수 있지만 다른 신호(예: 불법 메모리 액세스)는 프로그램을 종료하여 처리됩니다.

 단일 스레드 프로그램에서의 신호 처리는 간단합니다. 신호는 항상 프로세스에 전달됩니다. 그러나 프로세스가 여러 스레드를 가지고 있는 다중 스레드 프로그램에서의 신호 처리는 더욱 복잡합니다. 어느 스레드에 신호를 전달해야 할까요?

 일반적으로 다음과 같은 선택이 존재합니다.

1. 신호가 적용될 스레드에게 전달한다.
2. 모든 스레드에 전달한다.
3. 몇몇 스레드에만 선택적으로 전달한다.
4. 특정 스레드가 모든 신호를 전달받도록 지정한다.

 신호를 전달하는 방법은 신호의 유형에 따라 다릅니다. 예를 들어 동기식 신호는 그 신호를 야기한 스레드에 전달되어야 하고 다른 스레드에 전달되면 안 됩니다. 그러나 비동기식 신호의 경우는 명확하지 않습니다. <Control><C> 같은 키를 쳐서 그 프로세스를 강제 종료하는 신호와 같은 어떤 비동기식 신호는 그 프로세스 내 모든 스레드에 전달되어야 합니다. 신호를 전달하는 데 사용되는 표준 UNIX 함수는

kill(pid_t, int signal)

위와 같습니다. 이 함수는 특정 신호가 전달될 프로세스(pid)를 지정합니다. 대부분의 다중 스레드 UNIX는 스레드에 받아들일 신호와 봉쇄할 신호를 지정할 수 있는 선택권을 줍니다. 따라서 어떤 경우에는 비동기식 신호를 봉쇄하지 않고 있는 스레드들에게만 신호를 전달해야 할 수 있습니다. 하지만 신호는 오직 한 번만 처리되어야 하기 때문에 그 신호를 봉쇄하지 않고 있는 첫 번째 스레드에만 신호가 전달됩니다. POSIX Pthreads는 tid로 지정된 스레드에만 전달이 되도록 허용하는 다음과 같은 함수를 제공합니다.

pthread_kill(pthread_t tid, int signal)

 Windos는 신호를 명시적으로 지원하지는 않지만 비동기식 프로시저 호출(asynchronous procedure calls, APC)이라는 것을 사용해서 이를 대리 실행(emulate)할 수 있습니다. APC는 사용자 스레드들이 특정 이벤트의 발생을 전달받았을 때 호출될 함수를 지정할 수 있게 합니다. 이름이 의미하는 바와 같이 APC는 UNIX의 비동기식 신호와 유사합니다. 그러나 UNIX에서는 다중 스레드 환경에서 신호를 어떻게 처리해야 할지를 고민해야 하지만 APC는 프로세스에 전달되는 것이 아니라 특정 스레드에게 전달되기 때문에 좀 더 간단합니다.

3. 스레드 취소(_Thread Cancellation)

스레드 취소(thread cancellation)는 스레드가 끝나기 전에 그것을 강제 종료시키는 작업을 일컫습니다. 예를 들어 여러 스레드가 데이터베이스를 병렬로 검색하고 있다가 그중 한 스레드가 결과를 찾았다면 나머지 스레드는 취소되어도 됩니다. 또 다른 경우는 웹 브라우저에서 사용자가 웹 페이지를 더는 적재하지 않기 위해 스톱(stop) 버튼을 클릭할 수도 있습니다. 종종 웹 페이지는 여러 스레드들을 사용하여 적재됩니다(각 이미지는 별도의 스레드에 의해 적재된다). 사용자가 stop 단추를 누르면, 웹 페이지를 가져오던 모든 스레드가 취소됩니다.

 이처럼 취소되어야 할 스레드를 목적 스레드(target thread)라고 부릅니다. 목적 스레드의 취소는 다음과 같은 두 가지 방식으로 발생할 수 있습니다.

1. 비동기식 취소(asynchronous cancellation): 한 스레드가 즉시 목적 스레드를 강제 종료시킨다.
2. 지연 취소(deferred cancellation): 목적 스레드가 주기적으로 자신이 강제 종료되어야 할지를 점검한다. 이 경우 목적 스레드가 질서 정연하게 강제 종료될 수 있는 기회가 만들어진다.

 스레드 취소를 어렵게 만드는 것은 취소 스레드들에 할당된 자원 문제입니다. 또한 스레드가 다른 스레드와 공유하는 자료구조를 갱신하는 도중에 취소 요청이 와도 문제가 됩니다. 후자의 문제는 비동기식 취소의 경우 더 심각합니다. 종종 운영체제는 취소된 스레드로부터 시스템 자원을 회수할 수도 있지만, 모든 시스템 자원을 회수하지 못하는 경우도 있습니다. 따라서 비동기식으로 스레드를 취소하면 필요한 자원을 다 사용 가능한 상태로 만들지 못할 수도 있습니다.

 이와 반대로 지연 취소의 경우에는 한 스레드가 목적 스레드를 취소해야 한다고 표시하지만 실제 취소는 목적 스레드가 취소 여부를 결정하기 위한 플래그를 검사한 이후에야 일어납니다. 스레드는 자신이 취소되어도 안전하다고 판단되는 시점에서 취소 여부를 검사할 수 있습니다.

 Pthreads에서는 pthread_cancel() 함수를 사용하여 스레드를 취소할 수 있습니다. 목적 스레드의 식별자가 이 함수의 매개변수로 전달됩니다. 다음 코드는 스레드를 생성하고 이어서 취소하는 예를 보입니다.

pthread t tid;

/* create the thread */
pthread create(&tid, 0, worker, NULL);
  
  ...

/* cancel the thread */
pthread cancel(tid);

/* wait for the thread to terminate */
pthread join(tid,NULL);

pthread_cancel()을 호출하면 대상 스레드를 취소하라는 요청만 표시됩니다. 그러나 실제 취소는 요청을 처리하기 위해 대상 스레드가 설정되는 방식에 달려 있습니다. 대상 스레드가 최종적으로 취소되면 취소 스레드의 pthread_join() 호출이 반환됩니다. Pthreads는 3가지 취소 모드를 지원합니다. 각 모드는 아래 표와 같이 상태 및 유형으로 정의됩니다. 스레드는 API를 사용하여 취소 상태 및 유형을 설정할 수 있습니다.

모드	상태	유형
Off	사용 불가능	-
지연(deferred)	사용 가능	지연(deferred)
비동기식(asynchronous)	사용 가능	비동기식(asynchronous)

 표에서 알 수 있듯이 Pthreads는 스레드가 취소를 활성 또는 비활성 하는 것을 허용합니다. 취소가 비활성화되어 있으면 스레드를 취소할 수 없습니다. 그러나 취소 요청은 계속 보류 상태로 유지되므로 스레드는 나중에 취소를 활성화하고 요청에 응답할 수 있습니다.

 기본 취소 유형은 지연 취소입니다. 그러나 스레드가 취소 점에 도달한 경우에만 취소가 발생합니다. POSIX 및 표준 C 라이브러리에서 대부분의 블로킹 시스템 콜은 취소 점으로 정의되며, Linux 시스템에서 man pthreads 명령을 호출할 때 나열됩니다. 예를 들어, read() 시스템 콜은 read()에서 입력을 기다리는 동안 봉쇄된 스레드의 취소를 허용하는 취소 점입니다.

 취소 점을 설정하는 한 가지 기법은 pthread_testcancel() 함수를 호출하는 것입니다. 취소 요청이 보류 중인 것으로 확인되면 pthread_testcancel() 호출이 복귀하지 않고 스레드가 종료됩니다. 그렇지 않으면 함수 호출이 복귀되고 스레드가 계속 실행됩니다. 또한 Pthreads는 스레드가 취소될 때 정리 핸들러(cleanup handler)라고 하는 함수가 호출되게 할 수 있습니다. 이 기능을 사용하면 스레드가 종료되기 전에 스레드가 획득한 모든 자원을 해제할 수 있습니다.

 다음 코드는 스레드가 취소 요청에 대해 지연 취소를 사용하여 응답하는 방법을 보여줍니다.

while (1) {
	/* do some work for awhile */

	...
    
    /* check if there is a cancellation request */
	pthread testcancel();
   }

 Java의 스레드 취소는 Pthread의 지연 취소와 유사한 정책을 사용합니다. Java 스레드를 취소하려면 interrupt() 메서드를 호출하여 대상 스레드의 인터럽트 상태를 true로 설정합니다.

Thread worker;

...

/* set the interruption status of the thread */
worker.interrupt()

 스레드는 자신의 인터럽트 상태를 isInterrupted() 메서드를 호출하여 확인할 수 있으며, 이 메서드는 스레드의 인터럽트 상태를 나타내는 boolean 값을 반환합니다.

while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) { 
	...
}

 

4.  스레드-로컬 저장장치(_Thread-Local Stroage)

한 프로세스에 속한 스레드들은 그 프로세스의 데이터를 모두 공유합니다. 이와 같은 데이터 공유는 다중 스레드 프로그래밍의 큰 장점 중 하나입니다. 그러나 상황에 따라서는 각 스레드가 자기만 액세스 할 수 있는 데이터를 가져야 할 필요도 있습니다. 그러한 데이터를 스레드-로컬 저장장치)(thread-local storage, TLS)라고 부릅니다. 예를 들어 트랜잭션 처리 시스템에서 각 트랜잭션을 독립된 스레드가 처리해 준다고 가정해 봅시다. 더욱이 각 트랜잭션은 고유한 트랜잭션 식별자가 주어진다고 가정해봅시다. 이때 스레드마다 고유한 식별자를 연관시키기 위해서는 스레드 국지 저장소가 있어야만 합니다.

 TLS를 지역 변수와 혼동하기 쉽습니다. 그러나 지역 변수가 하나의 함수가 호출되는 동안에만 보이지만 TLS는 전체 함수 호출에 걸쳐 보입니다. 또한 개발자가 스레드 생성 과정에 대해 제어할 수 없는 경우(예, 스레드 풀과 같은 암묵적 기법을 사용하는 경우) 다른 방법이 필요합니다.

 어떤 면에서 TLS는 정적 데이터와 유사합니다. 차이점은 TLS 데이터는 스레드마다 고유하다는 것입니다. (사실 TLS는 보통 static으로 선언됩니다.) 대부분의 스레드 라이브러리 및 컴파일러는 TLS를 지원합니다. 예를 들어, Javasms ThreadLocal<T> 객체에 대한 set() 및 get() 메서드와 함께 ThreadLocal<T> 클래스를 제공합니다. Pthread에는 pthread_key_t 유형이 포함되어 있으며 각 스레드에 고유한 키를 제공합니다. 그런 다음에 키를 사용하여 TLS 데이터에 접근할 수 있습니다.

5.  스케줄러 액티베이션(_Scheduler Activations)

다중 스레드 프로그램과 관련하여 마지막으로 고려할 문제는 스레드 라이브러리와 커널의 통신 문제입니다. 이 통신은 위에서 논의한 다대다 및 두 수준 모델에서 반드시 해결해야 할 문제입니다. 이러한 통신의 조정은 응용 프로그램이 최고의 성능을 보이도록 보장하기 위하여 커널 스레드의 수를 동적으로 조절하는 것을 가능하게 합니다.

 다대다 또는 두 수준 모델을 구현하는 많은 시스템은 사용자와 커널 스레드 사이에 중간 자료구조를 둡니다. 이 자료구조는 통산 경량 프로세스 또는 LWP라고 불리며 아래 그림과 같습니다.

경량 프로세스(lightweight-process, LWP)

사용자 스레드 라이브러리에 LWP 방식은 응용이 사용자 스레드를 수행하기 위하여 스케줄 할 가상 처리기(virtual processor)처럼 보입니다. 각 LWP는 하나의 커널 스레드에 부속되어 있으며 물리 처리기에서 스케줄 하는 대상은 바로 이 커널 스레드입니다. 입출력이 완료되기를 기다리는 동안 같이 커널 스레드가 봉쇄되면 LWP도 같이 봉쇄됩니다. 이 연관을 따라 LWP에 부속된 사용자 수준 스레드도 역시 봉쇄됩니다.

 응용은 효율적으로 실행되기 위하여 임의의 개수의 LWP를 필요로 할 수도 있습니다. 하나의 처리기상에서 실행되는 CPU 중심 응용을 고려해 봅시다. 이 시나리오에서 한순간에 오직 하나의 스레드만이 실행될 수 있습니다. 따라서 하나의 LWP이면 충분합니다. 그러나 입출력 중심 응용은 여러 개의 LWP를 필요로 할 수도 있습니다. 통상 동시에 발생하는 봉쇄형 시스템 콜마다 하나의 LWP가 필요합니다. 예를 들어 서로 다른 5개의 파일 읽기 요청이 발생했다고 가정해봅시다. 모든 LWP가 입출력 완료를 기다리면서 커널 안에서 대기할 수 있기 때문에 5개의 LWP가 필요합니다. 만일 프로세스가 4개의 LWP만을 가지고 있다면 다섯 번째 요청은 하나의 LWP라도 커널에서 복귀할 때까지 기다려야 합니다.

 사용자 스레드 라이브러리와 커널 스레드 간의 통신 방법의 하나는 스케줄러 액티베이션이라고 알려진 방법입니다. 이것은 다음과 같이 동작합니다. 커널은 응용에 가상 처리기(LWP)의 집합을 제공하고 응용은 사용자 스레드를 가용한 가상 처리기로 스케줄 합니다. 게다가 커널은 응용에게 특정 이벤트에 대해 알려줘야 합니다. 이 프로시저를 upcall이라고 부릅니다. Upcall은 스레드 라이브러리의 upcall 처리기에 의해 처리되고, upcall 처리기는 가상 처리기상에서 실행되어야 합니다.

 Upcall을 일으키는 한 이벤트는 응용 스레드가 봉쇄하려고 할 때 발생합니다. 이 시나리오에서 커널은 스레드가 봉쇄하려고 한다는 사실과 그 스레드의 식별자를 알려 주는 upcall을 합니다. 그런 후에 커널은 새로운 가상 처리기를 응용에 할당합니다. 응용은 이 새로운 가상 처리기상에서 upcall 처리기를 수행하고 이 upcall처리기는 봉쇄 스레드의 상태를 저장하고 이 스레드가 실행 중이던 가상 처리기를 반환합니다. 그리고 upcall 처리기는 새로운 가상 처리기에서 실행 가능한 다른 스레드를 스케줄 합니다. 봉쇄 스레드가 기다리던 이벤트가 발생하면 커널은 이전에 봉쇄되었던 스레드가 이제 실행할 수 있다는 사실을 알려주는 또 다른 upcall을 스레드 라이브러리에 수행합니다. 이 이벤트를 처리하는 Upcall 처리기도 가상 처리기가 필요하고 커널은 새로운 가상 처리기를 할당하거나 사용자 스레드 하나를 선점하여 그 처리기에서 이 upcall 처리기를 실행합니다. 봉쇄가 풀린 스레드를 실행 가능 상태로 표시한 후에 응용은 강요한 가상 처리기상에서 다른 실행 가능한 스레드를 실행합니다.

 

요약

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• 스레드는 CPU 사용의 기본 단위를 나타내며 동일한 프로세스에 속하는 스레드는 코드 및 데이터를 포함하여 많은 프로세스 자원을 공유한다.
• 다중 스레드 응용 프로그램에는 (1) 응답성, (2) 자원 공유, (3) 경제성, (4) 확장성이라는 4가지 주요 이점이 있다.
• 여러 스레드가 진행 중인 경우 병행성(Concurrency)이 존재하는 반면에 여러 스레드가 동시에 진행 중인 경우 병렬성(Parallelism)이 존재한다. 단일 CPU가 있는 시스템에서는 오로지 병행성(Concurrency)만 가능하고, 병렬성(Parallelism)은 여러 CPU를 제공하는 다중 코어 시스템이 필요하다.
• 다중 스레드 응용 프로그램을 설계하는 데 몇 가지 도전과제가 있다. 작업 분할 및 균형 조정, 서로 다른 스레드 간에 데이터 분할 및 데이터 종속성 식별이 포함된다. 마지막으로, 다중 스레드 프로그램은 테스트 및 디버깅에 특히 어려움이 있다.
• 사용자 응용 프로그램은 사용자 수준 스레드를 생성하며, 이 스레드는 궁극적으로 CPU에서 실행되도록 커널 스레드에 매핑되어야 한다. 다대일 모델은 많은 사용자 수준 스레드를 하나의 커널 스레드에 매핑한다. 다른 접근법으로는 일대일 및 다대다 모델이 있다.
• 스레드는 비동기 또는 지연 취소를 사용하여 종료될 수 있다. 비동기 취소는 스레드가 업데이트를 수행하는 중이라도 스레드를 즉시 중지한다. 지연 취소는 스레드에 종료해야 한다고 통지하지만 스레드는 질서 정연하게 종료된다. 대부분의 경우 비동기 종료보다 지연 취소가 선호된다.